光学元件的损伤阈值.docVIP

光学元件的损伤阈值 光学元件激光损伤阈值是衡量光学元件抗激光破坏能力的重要指标，但从高功率激光装置的应用角度上讲，损伤阈值并不是一个全面充分的指标。公认的标准对损伤的定义是能被规定的损伤诊断装置所观察到，由激光引起的光学元件表面或内部特征永久性变化。一般采用微分相称显微镜观察，十微米左右的损伤，而损伤阈值的界定是和测量方法和判断标准有关，所谓测量方法主要是激光参数和测试数据量的设定，判断标准就是什么样的情况算损伤，一般将损伤阈值定义为发生零损伤概率的最高激光能量密度。 光学元件损伤阈值的测试方法包括1-on-1，R-on-1，N-on-1和S-on-1，如图2所示。 a）1-on-1，即元件的每一个测试点上只辐照一个单脉冲； b）S-on-1，即用相同的激光能量脉冲以相同的时间间隔（激光脉冲重复频率）在元件上的同一点上辐照多次； c）N-on-1，即激光能量脉冲由小到大地增加，辐照在元件的同一点上。在相邻的每个激光脉冲之间，可以没有一个固定的时间间隔； d）R-on-1，即用很小的等幅线性增加的激光能量以相同短时间间隔在元件的同一点上辐照多次。 其中，1-on-1和S-on-1测试方式通常被作为测试熔石英损伤阈值的测试方法，在国际标准11254中有明确的阐述。N-on-1和R-on-1方式常被用作对熔石英进行激光预处理的激光辐照方式。 图2 四种损伤测试方法示意图 1-on-1测试方法是目前最普遍采用的元件损伤阈值测试方法，国际标准11254中定义的测试基本步骤是：用相同能量的单脉冲，分别照射测试元件上的个点（），每个点只辐照一次每个辐照点用相衬显微镜观测是否出现损伤，记下个测试点中发生损伤的点数，得出这个能量密度下损伤几率为。改变能量，测出该能量密度下的损伤频率。要求测出多个能量点的损伤频率，其中包含损伤频率为零和损伤频率为100%的能量点。以激光能量密度为横轴，以损伤频率为纵轴，得出损伤频率与激光能量点的分布散点图。用最小二乘的直线拟合并外推到零损伤几率，这时零损伤几率所对应的激光能量密度即为1-on-1测试法的零几率损伤阈值。 图 1-on-1零几率损伤阈值示意图 选取N个点进行激光，保持激光其它参数不变，逐步提高激光通量，记录每个激光通量下损伤点的个数，直至产生N个损伤点或损伤个数不再增加。则 (2-1) 不失一般性地假设在元件表面随机分布且互相独立，则个数的空间分布遵从泊松 (2-2) 由泊松过程定义：对任何，增量服从参数为λ的泊松分布则在辐照面积内，有个的几率为 (2-3) 其数学期望 (2-4) 缺陷的存在是损伤的必要而非充分条件，但由于技术的限制，实验中无法预先发现杂质，只能测量损伤点。可从几率观点探讨两者关系如下：a)假设单个的损伤没有几率性：在辐照通量高于其损伤阈值时，一定损伤，则等效于损伤。在辐照面积s内没有点/损伤点的几率，即安全的几率，为 (2-5) 所以辐照面积s内的损伤几率为 (2-6) 为杂质的期望个数。 b)假设单个的损伤几率性：可定义单个其损伤概率为p时的激光通量为损伤阈值。则辐照面积s内有k个的概率服从参数为的泊松分布；每个点的损伤的概率为，且彼此独立，则服从二项分布。可证明，s内有r个损伤点的概率服从参数为的泊松分布。 证明：为元件的数量，且 (2-7) 为 k个中损伤的数量 (2-8) 则s内有r个损伤点的概率为 (2-9) 式2-22中当时，和a)中无几率假设的形式一样。所以，不论单个杂质的损伤几率性，都可等效于损伤，区别只是在λ上乘以一个系数。为简便起见，以下讨论都认为等效于损伤，两者一一对应。 2）的损伤阈值分布/损伤密度随通量的分布 在假设/损伤点数在元件表面为泊松分布的同时，认为的损伤阈值也有一个分布,C为杂质点的密度，F为阈值通量(J/cm2)。N可以写为 , (2-10) s为光束辐照面积, 为辐照面积内各种杂质中最低的损伤阈值，F为激光辐照的通量。所以，有 (2-11) 为损伤几率P和杂质的阈值分布的关系。 可见损伤几率函数与辐照面积有关。一块元件，如果测试区域口径不同，损伤也不同。总的来说，小区域的损伤低，大区域的高。这是由缺陷的随机分布确定的：在小区域内找到缺陷的几率一定会小于在大区域内。而损伤阈值的分布C(F)与辐照面积无关，是元件表面质量的指标，可作为一个不变量，并以此在不同口径下得到的损伤几率曲线间变换。 对F求一阶导数得到的是阈值分布的概率密度函数。在不知道的形式时，对不同的光束空间分布，可以从P(F)得到f(F)： a)空间高斯光束 (2