光学元件的损伤阈值.doc

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: a )用相同能量的单脉冲,分别照射测试元件上的 m 个点( m 不小于 10) ,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 m 个测试点中发生损伤的点数 n ,得出这个能量密度下损伤几率为 n/m 。b )改变能量,同样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。 c) 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。 d )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,如图 3 所示。图3 1-on-1 零几率损伤阈值的拟合示意图准确地说, 不同测试方法获得的损伤阈值其内涵是不同的, 测试结果也有可能是不同的。因此我们在使用损伤阈值这一术语时, 最好能明确其测试方法, 例如损伤阈值明确地区分为零几率损伤阈值、 R-on-1 损伤阈值、 N-on-1 损伤阈值和 S-on-1 损伤阈值,而不要以损伤阈值笼而统之。根据 1-on-1 测试方法, 选取 N 个测试点进行激光损伤测试, 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) 遵不失一般性地假设缺陷在元件表面随机分布且互相独立, 则缺陷个数的空间分布从泊松分布(2-2) ,增量服从参数为λ的泊松分布,则在辐由泊松过程定义:对任何照面积内,有个缺陷的几率为(2-3) 其数学期望值等于(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