激光损伤阈值测试

今天的最新激光技术可用于各种应用阵列。然而，目前，他们的使用受到关于某些功率阈值的知识缺乏知识，以上激光器可以损坏有价值的材料和组件。通过他们的研究，Jan Vanda博士和HILase中心的同事，捷克科学院物理研究所的一部分推动了成熟的计划的准确性，并引入了新的测试程序，以准确地测试各种材料的这些门槛。他们的方法使研究人员和制造商能够更好地利用现代大功率激光器的高级功能。

近几十年来，激光技术以惊人的速度发展。如今，即使是商用激光器也能产生几年前还无法想象的高强度光束，并能精确地将光聚焦到目标上。由于这些进步，研究人员现在可以使用紧凑型激光设备，包括捷克共和国的HiLASE等尖端设施。

今天，高功率激光系统被广泛应用于各种研究应用，从航空、汽车、生物医学和制药，用于3D打印、发电和工具，以及材料物理学。特别是，它们对于涉及复杂光学安排的研究是至关重要的，在这些研究中，光束必须沿着精确确定的方向发射，通常用于激光粒子加速设备。在其他地方，激光越来越多地用于工业应用，它们可以在各种材料上以极高的精度进行切割、钻孔和表面纹理处理。

不幸的是，今天最先进的激光给许多受益于它们的团体提出了一个新问题。由于没有一种材料是不受激光伤害的，所以对于建造者和开发人员来说，要确定他们能发挥多大的能力是非常困难的。Vanda博士说:“现在正在制造越来越强大的激光器，以满足不断发展的技术的需要。”“在任何高功率激光系统中，激光损伤是所有部件的关键参数，它确定了激光束中最大可实现能量的极限。”

由于这些限制在不同的材料和激光参数之间可能存在很大差异，因此研究人员和制造商很难准确地确定它们的位置。在没有这些知识的情况下，他们必须小心地操作激光器，远低于他们的最大可能能量，因为已知它们不会对自己的组件造成任何风险。这个问题对激光器可以工作的最大可能能量有严格的限制。

在任何高功率激光系统中，激光损伤是所有部件的一个关键参数，它确定了激光束中最大可实现能量的极限。

量化损伤阈值
为了缓解这一问题，国际标准化组织(ISO)于2011年推出了一套标准。Vanda博士解释说:“根据ISO 21254标准，LIDT被定义为入射到材料上的最高数量的激光辐射，其损伤概率为零。”“因此，为了确保任何高功率激光的稳定性和可靠性，有必要有手段准确确定激光诱导损伤阈值(或LIDT)。”

根据环境条件，LIDT可根据光学元件选择和激光操作参数而变化很大。在样品内部，分子和原子水平的缺陷和缺陷通常由老化、调节和环境磨损引起。如果它们暴露在具有足够高能量的激光束中，这些特征会导致不可预测的光学效应，包括激光中的散射、吸收和干涉。在小尺度上，所有这些特征都能大大增强激光束所携带的电场的强度。

在材料表面上也可以发现类似的影响，其特征是缺陷，包括粗糙度、光吸收和污染颗粒的存在；所有这些都会导致破坏性的局部加热、干扰和其他破坏性影响。如果在LIDT评估中未充分考虑这些因素中的任何一个，激光操作员有可能对其系统造成潜在的不可逆损害，即使他们遵守ISO标准。对于Vanda博士的团队来说，这需要改进在特定材料和条件下测定LIDT的方法。为此，研究人员开发了先进的新技术，用于在HiLASE测试激光损伤。

测量在HiLASE
位于布拉格之外，Hilase是两个最先进的激光来源的所在地，名为Bivoj和Perla。虽然两个系统以不同的方式产生光，但它们通过产生具有极高峰值功率的脉冲激光束来操作。当这些脉冲被引导到材料样品上时，在湿度，温度和灰尘颗粒浓度紧密控制的条件下，它们的高能量使得LIDT能够使用具有大直径的激光束来测量。与以前的研究相比，这使得万达博士的团队能够计算较大区域的损伤阈值 - 显着减少结果中的错误。此外，在为特定区域和应用设计激光损伤测试时，这种激光源使得更有选择。

“在Hilase，我们旨在开发一种准确和多功能的激光损坏测试设施，”瓦达博士描述。“在这样做时，我们希望能够实现更高的能量，提高开发激光系统的可靠性和整体可行性。这些努力使HILase构建并运营了世界上最亮的激光器。“

通过他们的实验，Vanda博士和他的同事们现在已经使用他们的装置来测量各种各样的组件的盖子，包括大块金属、电介质和半导体;基本的光学部件，如镜子和镜片;以及最先进的复杂元素，如纳米结构的抗反射表面和混合镜子。这些混合镜子由银层和多层介质反射器组成，是HiLASE LIDT测试方法的典型例子。尽管这些组件结合了金属和介质反射镜的优点，但它们的行为不容易预测，特别是在使用高能大口径激光束时。

Vanda博士的团队收集的结果很快就能提供有价值的见解，让我们了解激光在许多日常情况下应该如何操作。

由于即使是高反射介质镜也必须始终吸收一些光，并且金属涂层容易受到吸收产生的热沉积的影响，因此研究人员在不同暴露条件下测量其损伤阈值尤为重要。在这项研究中，该团队首次成功地确定了皮秒范围内混合涂层的LIDT值，并解决了用于涂层沉积的不同技术的问题。

在另一项研究中，Vanda博士的团队展示了HiLASE的LIDT测试能力，通过在纳秒范围内测量高反射和抗反射涂层的值，这些涂层被沉积在三种不同的基片上:YAG、熔融硅和BK7玻璃。选择样品是为了展示通过所谓的IAD技术沉积的新型zro2基涂层的测试能力，其中LIDT值被用作制造商对所开发的涂层工艺的有效性的反馈。在每种情况下，HiLASE测试设施使研究人员能够量化所有基材和涂层安排的LIDT值，精确度达到前所未有的程度。

提高实际应用中的性能
通过他们持续的实验，Vanda博士的团队收集的结果将很快为激光在许多日常情况下如何操作提供有价值的见解。这些应用以前因激光能量的不确定性而受阻，而HiLASE的测试设施提供了人们期待已久的解决方案。正如Vanda博士总结的那样:“利用我们的激光损伤专业知识、HiLASE可获得的独特激光源以及我们对不同应用领域的知识，我们能够探索包括高效涂层去除、激光材料加工、干涉图案或纤维束输送等领域。”

这种先进的技术将大大简化各种常见的任务。对于工业制造来说，这可能包括更换老化或损坏的涂层，这些涂层通常牢固地附着在材料表面。虽然以激光为基础的去除这些涂层的过程往往会对下面的材料造成损害，但该团队的测试技术能够提供刚好数量的激光功率，而没有任何损害的风险。通过在交叉激光束之间构建复杂的干涉图案，制造商还可以在材料表面去除特定的重复图案，从而控制摩擦、润湿性或生物相容性等特性。具有材料损坏行为知识的用户将能够优化他们的过程，以提高产量和效率。此外，操作者可以绘制出粗糙表面的高程图，并通过光纤引导激光束的路径，以及其他广泛的潜在用途。

除了这些无数的工业应用外，该团队的方法可以使研究人员能够更安全地操作涉及复杂光学装置的实验。随着对实验组件的昂贵损害的保证，这些研究人员最终能够以最高可能的亮度运行先进激光器 - 这在几年前只被视为风险。