【激光技术分享】超快激光损伤阈值问题研究（1）
超快激光器，特别是飞秒激光器脉冲宽度很短，一般具有高峰值功率的优点。这是许多科研工作者选择飞秒激光器作为研究工具的理由之一。而在使用过程中，用户常常会发现配合飞秒激光器使用的光学元件，包括反射镜、分光片、滤光片等等非常容易打坏。这当然也是因为飞秒激光器的高峰值功率造成的。那么为了安全使用飞秒激光器和保护光学元件，大家第一时间考虑到的是确认光学器件的损伤阈值。而我们去查看很多光学元件的损伤阈值会发现，厂商往往会提供以下两种损伤阈值参数：
1. 连续激光损伤阈值参数（常见单位为：W/cm2）大多数厂商都能够提供这一类损伤阈值参数。
2. 脉冲激光损伤阈值参数（常见单位为：J/cm2, 同时标明重复频率和脉冲宽度）
有一些元器件厂商在给出连续激光损伤阈值参数的同时，也能够给出脉冲激光损伤阈值参数。但给出的测试条件一般为几纳秒到几十纳秒，重复频率几十Hz。这是因为很多元器件厂商并不具备飞秒激光测试能力，因此也无法提供有效的飞秒脉冲损伤阈值参数。一般来说，光辐射对光学元件的损伤主要有三种形式：一是因光吸收导致的热效应；二是短脉冲激光辐射下造成的介质电离击穿；三是超短脉冲激光下，因极高的峰值功率而直接导致的物质化学键破坏。
连续激光造成光学元件损伤的机理明显属于第一类，而超短脉冲激光造成光学元件损伤的机理应当归为二三类。由此可以发现，两类激光致伤的机理完全不同。因此厂商提供的连续激光和长脉冲激光的损伤阈值参数，在我们使用飞秒激光器进行实验时并不具备足够的参考价值。而令人欣慰的是，有一些致力于材料和镀膜研究的科研人员已经进行过了一系列具有参考价值的激光破坏性实验，提供的实验数据可以作为大家进行器件选择和实验设计的重要参考。本篇我们将主要介绍来自美国俄亥俄州立大学物理系KYLE R. P. KAFKA所在实验组带来的损伤阈值测试实验过程和结果。
一、实验设计
该测试实验的过程实际上非常简单，实验者将激光脉冲进行聚焦，然后将不同的光学元件置于焦点处进行测试，调整激光能量的同时观察光学元件的受损情况。最终给出了相应的实验数据。
图1. 超快激光冲击破坏实验装置图
如图1所示，该实验组采用的光源为一套3mJ，500Hz，35fs的超快激光器，实验者取了其中0.5mJ的激光脉冲注入充有惰性气体的空芯光纤中进行光谱展宽，经过啁啾镜组有压缩后得到了周期量级的飞秒激光，脉冲能量为0.35mJ。
实验组在真空和空气中都进行了实验，由于实验使用的激光脉冲非常短，实验者在真空中实验时对聚焦前经过的真空窗口片的色散进行了预补偿，最终在样品处的脉冲宽度都保持在5-6fs左右。用来聚焦的元件为一片焦距为150mm的曲面银镜，焦点处的束腰半径为15微米。焦斑处的损伤情况通过一束连续的He-Ne激光采样后导入探测设备中观察。
二、实验样品
以下为他们测试的样品列表：
图2. 测试样品列表
前五项产品都来自Spectra-Physics FemtoOptics product line，包括宽谱啁啾镜、宽谱反射银镜、不同比例的宽谱分束镜。
最后一项熔石英基底来自MTI Corp.
三、试验方法
测试过程采用的方法为单发测试F1和1000发测试F1000。在每个能量条件下，实验组在元件上分立的选取10-20个点，用测试激光进行单次或一千次冲击，用造成破坏的数量除以总实验数得到损伤可能性P（damage probability）。下图为测试中的两个例子。部分元件的测量结果如右图，损伤可能性P只有0和1的差别，分界线比较好判断；而其他一些元件的测试结果像左图这样，损伤可能性P随能量密度的增加是一个渐变的曲线，因此实验组统一选取开始出现损伤的位置为分界线。两种情况下的分界线就作为该条件下该测试元件的损伤阈值结果。
图3. 测试实例
熔石英片本身因为没有镀膜，因此评价标准与其它镀膜元件有所不同，它损伤的判断依据为激光在熔石英片表面造成的坑的深度。实验组针对不同的测试元件，采用了多种仪器对测试元件表面的损伤进行判断，包括：
1. Optical microscope
2. Interferometric surface profiler
3. Atomic force microscope (AFM)
4. Scanning electron microscope（SEM）
四、损伤阈值结果（我知道大家一定最想看这部分）
图4. 实验结果
注意：这里的熔石英的损伤阈值是除以10倍的结果，主要是为了和其它元件的结果放到一起。
通过测试结果的图表我们可以看到，1000发的损伤阈值F1000要明显低于单发的损伤阈值F1，对于不同的测试元件差别在20%-50%左右。对于熔石英片来说，无论真空还是空气条件下，F1000/F1都在0.57左右。在相同的测试条件下，一般来说反射率越高的器件，损伤阈值越低。但这里啁啾镜和银镜的表现却比较反常，这可能是由于它们的反射率相差很小（均>98%），而镀膜设计相差较大。比如说DE-Ag I型的银镜的外表面第一层镀膜的折射率要高于DE-Ag II型银镜，而折射率高的材料相应的损伤阈值会更低，这是由于在该测试条件下造成器件损伤的原因为介质电离。测试激光是否为周期量级脉冲也是一个很关键的影响因素。对于非周期量级飞秒激光，光学器件的损伤阈值提升了1/2至1/3（根据不同的器件而定）。我们本期已经简要介绍了KYLE R. P. KAFKA等人关于周期量级激光脉冲冲击下光学元件的损伤阈值研究的实验过程和数值结果，未来我们将继续带来他们关于光学元件损伤情况的图像分析，毕竟都用到AFM和SEM了，结果分析还是相当有趣的。
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