作者：原创 时间：2018-08-25
目前，衍射光学元件在高端激光加工设备中的应用越来越普遍，能够现实极佳的光学加工效果。随着激光器技术的发展，平均功率和峰值功率越来越大，许多系统集成商和用户担心，衍射光学元件（DOE）可能无法承受这么高的功率。因此，激光损伤阈值（LIDT或LDT，laser induced damage threshold）的参数是选择光学元件时重要的参数之一。
镜片的损伤在不同波长下对应不同的机理，激光波长覆盖了很宽的范围（从紫外到远红外）和时间范围（超快到持续波），下表列出了不同的激光对应不同的损伤原理。
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超短脉冲 （t <0.5 [ns]） |
纳秒脉冲 （0.5 [ns] <t <100 [ns]） |
连续波（CW） （t> 1 [μs]） |
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损伤类型 |
介电击穿 |
介电击穿 |
材料过热，导致化学降解 |
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雪崩电离 |
·对于高脉冲重复率，可能会出现热效应，类似于CW光束。 |
在实际应用中，有三个主要影响衍射光学元件损伤阈值的因素。
1）制造工艺 - 原材料和制造过程中的缺陷。
选择具有高光学质量（表面质量20-10 Scratch-Dig或更好的熔融石英）的基片。整个制造过程在洁净无尘的实验室中，还会对每个元件进行缺陷检查。
2）镀膜层 - AR镀膜层中的污染物。
使用具有高QA的离子辅助沉积（IAD）抗反射（AR）膜层。
3）使用 - 热恢复期，元件的使用环境以及清洁和维护方式。
衍射光学元件DOE的激光损伤阈值测试（LASHARE EU project）
实验方法：在实际生产环境中（非洁净室）用激光照射DOE的8个不同位置，并持续增加每一束激光的功率，如果镜片表面没有损伤，则表示当前功率密度在损伤阈值之下，一旦出现打坏的情况则说明此时超过了损伤阈值。
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波长 |
1030 [nm] |
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重复频率 |
800 [kHz] |
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脉宽 |
6 [ps] |
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空间脉冲形状 |
高斯光 |
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时间脉冲形状 |
高斯光 |
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照射持续时间 |
30 [s] |
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照射位置P. |
1, …, 8 |
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每个位置P的照射间隔 |
5 [s] |
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每个位置P之间的距离 |
~1 [mm] |
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焦点直径 （表面） |
70 [um] |
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重复实验次数 |
5 |
用于测试的DOE参数：
材料：紫外熔融石英
表面质量：20-10 Scratch-Dig（或更好）
镀膜性能：Ravg <0.2％
DOE的镀膜类型
这里准备了三组不同的DOE进行测试，无增透膜、单面镀膜（非衍射面）和双面镀增透膜。
激光照射后保存左图的状态则认为没有明显的损伤，而出现右图变色或损坏的状态则表明DOE被损伤。这种损伤有可能发生在平坦的区域或者光栅区域。
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无增透膜 |
单侧镀膜 |
双面镀膜 |
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未损伤 |
损伤 |
未损伤 |
损伤 |
未损伤 |
损伤 |
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功率（平均值）[W] |
57 |
58 |
62 |
64 |
53 |
54 |
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能量密度）[J/cm2] |
1.95 |
1.98 |
2.12 |
2.18 |
1.81 |
1.84 |
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峰值功率密度 [GW/cm2] |
308 |
313 |
335 |
344 |
285 |
290 |
每组产品都有一列未损伤的数值和损伤的数值，未损伤的数值表示在未检测到DOE损伤的情况下测量的最高功率/能量值。损伤的数值列表示实验过程中让DOE产生损伤的功率值。
从这个表格可以看出DOE的损伤阈值大概在300GW/cm2，是否镀增透膜对损伤阈值的影响不大，未镀增透膜的DOE实际上是纯石英结构，用户使用最多的镀双面增透膜DOE损伤阈值之比未镀膜的DOE低不到10%。
