文/Olivia Wheeler，Edmund Optics

圖1：激光誘導的損傷機制，在脈沖持續(xù)時間尺度上存在顯著差異。較長的脈沖，包括持續(xù)時間為納秒的脈沖，主要通過熱效應造成損害。隨著脈沖持續(xù)時間縮短到飛秒時間尺度，載流子吸收和非線性效應成為主要的損傷機制。[2]

隨著激光技術的不斷發(fā)展，光學元件也必須不斷進步，以滿足高精度應用所需要的苛刻規(guī)格。超快激光術的強大力量，徹底改變了醫(yī)療程序、微加工、基礎科學研究和許多其他領域。對于以前由納秒激光器主導的行業(yè)和應用，采用超快激光器會面臨一些挑戰(zhàn)，包括光學元件的激光損傷閾值明顯不同。為了確保激光系統(tǒng)的效率和壽命，了解激光損傷閾值在納秒和飛秒脈沖持續(xù)時間上的差異及其原因，至關重要。

激光損傷閾值（LDT），有時也稱為激光誘導的損傷閾值（LIDT），是為任何激光系統(tǒng)選擇光學元件時需要評估的一個關鍵參數(shù)。ISO 21254將LDT定義為“入射到光學元件上的最大激光輻射量，并推測其對光學元件的損壞概率為零”。[1]這個定義看起來很簡單，但實際的LDT值取決于光學元件本身性質之外的各種因素。特別地，當在納秒（10-9s）與飛秒（10-15s）脈沖持續(xù)時間下進行評估時，光學元件的LDT可能會變化幾個數(shù)量級。這種巨大的差異，源于在這些不同的時間尺度上發(fā)生的激光損傷機制截然不同（見圖1）。

納秒激光損傷機制

與飛秒脈沖相比，納秒激光的長脈沖主要通過熱機制對光學元件造成損傷。激光將大量能量沉積到光學元件的材料中，從而引發(fā)激光入射部位內的局部加熱。這種加熱可能直接引發(fā)熔化，也可能通過熱膨脹和由此產(chǎn)生的機械應力引起一些結構變化。這種應力可能會繼續(xù)導致開裂，甚至導致涂層完全與基材分離。[3]

除了涂層材料被直接加熱外，納秒激光照射下的光學元件對涂層內的缺陷特別敏感。這些缺陷就像光學涂層內的小避雷針，因為它們的吸收率比周圍環(huán)境高得多。因此，這些缺陷區(qū)域會更快地升溫，在發(fā)生災難性激光損傷的情況下，這些缺陷會從涂層中爆炸出來。這種劇烈的損傷機制通常會在光學元件表面留下彈坑，以及在損傷事件發(fā)生后立即重新沉積在表面的一些顆粒物（見圖2）。

圖2：532nm納秒脈沖激光產(chǎn)生的激光損傷。這種損傷是由光學元件涂層內的缺陷引起的，導致元件表面上出現(xiàn)了彈坑和再沉積的顆粒物。[4]

因為這些缺陷點位會引發(fā)激光損傷，所以對于特定的光學元件，缺陷的存在率越高，LDT通常越低。因此，與納秒激光器一起使用的光學元件，要將重點放在光學元件的表面質量上。而且，納秒時間尺度的LDT測試，是一個高度統(tǒng)計的過程。光學表面上任何給定位置的損壞概率，是由許多相關因素引起的，包括入射光束的大小、缺陷位置的分布和密度，以及固有的材料屬性。這些多種影響因素，也解釋了為什么納秒LDT值在同一涂層的不同批次之間可能存在顯著差異。LDT可能會受到基材拋光和制備的不一致性、實際涂層沉積過程中的波動、甚至是涂層后儲存條件變化的影響。

納秒級LDT的各種影響因素，與造成飛秒激光損傷的主要機制形成鮮明對比，飛秒激光損傷主要與所應用的涂層材料有關。[3]

飛秒激光損傷機制

飛秒激光的超快脈沖通過不同的機制引起損傷，部分原因是它們產(chǎn)生的峰值功率非常高。即使納秒和飛秒激光具有相同的脈沖能量，但是由于飛秒激光的脈沖持續(xù)時間較短，飛秒激光脈沖的峰值功率會比納秒激光高出約100萬倍。這些高強度激光脈沖，能夠直接將電子從價帶激發(fā)到導帶。即使入射激光脈沖的光子能量低于這種躍遷（即所謂的材料帶隙），超快激光脈沖的峰值通量也很高，以至于電子一次可以吸收多個光子。這種非線性機制被稱為多光子電離，是超快激光光學中常見的損傷途徑。

隧穿電離也可能是飛秒激光照射下的損傷途徑。這種現(xiàn)象發(fā)生在超快激光脈沖產(chǎn)生的非常強的電場下，這種電場非常強，以至于入射電場實際上扭曲了導帶的能量，這使得電子能夠從價帶隧穿。一旦足夠的電子被激發(fā)到導帶，入射輻射就開始將能量直接耦合到自由電子中，從而導致涂層材料的擊穿。[3]

由于這些損傷途徑，飛秒LDT比納秒LDT更具確定性。激光損傷本質上是在飛秒激光的一定輸入通量下“開啟”的，該通量與所涂覆的介電涂層材料的帶隙成比例。這與納秒激光損傷的概率性形成鮮明對比（見圖3）。

圖3：在4ns（左）和48fs（右）脈沖條件下獲得的LDT測試結果。納秒損傷曲線的平緩斜率反映了測量的概率性，而向100%損傷概率的急劇轉變反映了飛秒激光損傷的確定性機制。

與納秒激光損傷途徑相比，重要的是要注意熱效應在飛秒時間尺度上并不影響光學元件的LDT。這是因為超快激光脈沖的持續(xù)時間，實際上比材料結構內熱擴散的時間尺度要快。因此，飛秒脈沖不會將能量作為熱量沉積到涂層材料中去，因此也不會像納秒激光脈沖那樣產(chǎn)生熱膨脹和機械應力。由于這些確切的原因，超快激光在許多需要高精度切割和標記的應用中具有極大優(yōu)勢，[5]例如用于制造心血管支架。[6]

選擇正確的光學元件

就像它們的脈沖持續(xù)時間一樣，納秒和飛秒脈沖的典型LDT值可能相差幾個數(shù)量級。當用100fs脈沖測量時，普通激光鏡的LDT值可能約為0.2J/cm2；但用5ns脈沖測量時，該光學元件的LDT可能更接近10J/cm2。這些不同的值可能首先令人擔憂，但它們不過是表明了在這些時間尺度上的損傷機制截然不同。

出于同樣的原因，在大時間尺度上使用LDT計算器時要格外小心。一般來說，隨著脈沖持續(xù)時間的延長，LDT會變大。但是將LDT值從適應飛秒脈沖調整到適應納秒脈沖，或是從適應納秒脈沖調整到適應飛秒脈沖，很可能會導致光學元件損壞。最好的做法是選擇一種具有合適LDT額定值的光學元件，并且該額定值是在盡可能接近您的實際應用條件下（包括波長、重復頻率和脈沖持續(xù)時間）獲得的。

小結

激光技術將繼續(xù)發(fā)展，以滿足更高精度的需求。隨著這些新技術的形成，了解激光損傷機制的差異（以及在特定時間尺度上哪些損傷占主導地位），對于為實際應用選擇合適的光學元件將越來越重要。了解這些差異不僅可以提高在用的激光系統(tǒng)的效率和壽命，還可以無縫適應未來更先進的激光系統(tǒng)。

參考文獻

1. See www.iso.org/standard/43001.html.

2. S. S. Mao et al., Appl. Phys. A, 79, 1695 (2004).

3. D. Ristau et al., Thin Solid Films, 518, 1607 (2009).

4. N. Carlie and K. Firestone, Laser Focus World (2019); www.laserfocusworld.com/14035451.

5. S. Lei et al., J. Manuf. Sci. Eng., 142, 1 (2020).

6. A. G. Demir and B. Previtali, Biointerphases, 9, 029004 (2014).