CW-Laser - Besonderheiten bei der LIDT-Spezifikation

Die Einsatzbedingungen beeinflussen die Zerstörschwelle von Dauerstrichlasern (CW-Lasern) stärker als die von gepulsten Lasersystemen, so dass Anwender von CW-Lasersystemen mehr Vorsicht walten lassen müssen. Die Zerstörschwelle für CW-Laser wird normalerweise als gemessene lineare Leistungsdichte bei einer bestimmten Wellenlänge angegeben. Anwender sollten sich nicht zu sehr auf die spezifizierte CW-Zerstörschwelle einer optischen Komponente verlassen, ohne vorher die vielen Parameter zu berücksichtigen, die den Wert verändern können: Laserleistung, Strahldurchmesser und Prüfbedingungen, um nur einige zu nennen.

Definitionen & Unterschiede:

Die ISO-Norm definiert die laserinduzierte Zerstörschwelle (LIDT) als die „höchste Menge an Laserstrahlung, die auf die optische Komponente trifft und für die die extrapolierte Wahrscheinlichkeit einer Schädigung gleich Null ist".¹ Gepulste und CW-Laser unterscheiden sich in ihrer Funktionsweise und weisen daher unterschiedliche Schädigungsmechanismen auf. Die LIDT für gepulste Laser wird durch Einschuss- oder Mehrschussprüfung getestet, während die CW-LIDT getestet wird, indem eine Optik für eine bestimmte Zeit der konstanten Fluenz des Lasers ausgesetzt wird. Gepulste Laserschäden, gemessen an der Belichtungszeit im Nanosekunden- bis Femtosekundenbereich, resultieren in der Regel aus dem elektrischen Feld oder mechanischen Spannungsschäden. (Weitere Schäden finden sich in Tabelle 1 unseres Anwendungshinweises: Hintergrundinformationen und Spezifikationen zu LIDT bei Laserkomponenten). Pulsdauern größer als 100 Pikosekunden führen oft zu einem herkömmlichen Schmelzen. CW-Laserschäden werden durch eine Erwärmung oder ein mechanisches Versagen aufgrund von thermisch induziertem Stress in der Optik verursacht. Folglich werden Quasi-CW-Laserschäden, bei denen die Belichtungszeit in Mikrosekunden liegt, durch eine Kombination aus elektrischem Feld und thermischer Schädigung verursacht.

Spezielle Herausforderungen bei der Spezifikation und Prüfung der LIDT von CW-Lasern

Die Zerstörschwellenprüfung mit CW-Lasern bringt Herausforderungen mit sich, die bei der Zerstörprüfung mit gepulsten Lasern nicht vorhanden sind. Zu den wichtigsten Parametern, die bei der CW-Prüfung zu berücksichtigen sind, gehören die Belichtungszeit, der Strahldurchmesser, das Konstruktionsmaterial, Defekte an der Probe und die Wahl der Montage. Auch die Umgebungsbedingungen sollten berücksichtigt werden, insbesondere ein eventueller Luftstrom über der Optik.

Die Belichtungszeit ist das Intervall, in dem die betrachtete Optik der Leistung des Lasers ausgesetzt wird. Die Belichtungszeit für CW-Laser-Zerstörschwellenprüfungen ist größer als eine Sekunde, beträgt aber üblicherweise fünf Sekunden bis zu einer Minute pro Teststelle oder bis die Probe versagt.² Ein weiterer Aspekt im Zusammenhang mit der Belichtungszeit ist die Ruhezeit zwischen den einzelnen Tests. Wenn der Probe nicht genügend Zeit gegeben wird, sich thermisch zu „entspannen“, wird die nächste Belastung für die Probe schwieriger sein als die letzte. Dies ist in gewisser Weise vergleichbar mit der Wiederholungsrate von gepulsten Lasern, allerdings auf einer längeren Zeitskala. Dies sorgt für mehr Unsicherheit in der realen Welt; wie viel Zeit gibt der Anwender der Optik, um sich zu erholen? Diese Ruhezeit kann im wahrsten Sinne des Wortes über Erfolg oder Misserfolg der Optik entscheiden.

Die Anzahl der Defekte, mit denen der Strahl interagiert, wird durch den für den Test gewählten Strahldurchmesser bestimmt. Es ist wichtig, alle Defekte auf oder unter der Oberfläche der Optik zu verstehen. Bei den Defekten kann es sich um oberflächennahe Schäden wie Risse oder Rillen handeln, aber auch um Defekte an der Oberfläche, wie z. B. Defekte an der Beschichtung oder Verunreinigungen auf der Optik. Beschichtungsschäden resultieren in der Regel aus begünstigter Absorption durch Staub oder Kratzer auf der Oberfläche. Eine ausreichende Energieabsorption an der Oberfläche kann zu einer Delamination der Beschichtung führen.² Grundsätzlich gilt: auf je mehr Defekte der Strahl trifft, desto niedriger ist die Zerstörschwelle.

Abbildung 1: Verschiedene Morphologien von laserinduzierten Schäden, die auf unterschiedliche Ursachen zurückzuführen sind.

Die thermische Leitfähigkeit und Absorption des Substratmaterials bestimmen das Profil, in dem sich die Wärme in der Optik verteilt. Zum Beispiel lassen transmissive Silizium- und Germanium-Optiken infrarotes (IR) Licht durch, aber kein sichtbares Licht, was zu einer Absorption an der ersten Oberfläche führt.³ Diese Absorption an der ersten Oberfläche lässt dann die Temperatur an der Oberfläche der Optik ansteigen, was wiederum einen erheblichen Temperaturgradienten verursacht. Das Ausmaß des Temperaturgradienten kann darüber entscheiden, ob es zu einer Schädigung der Probe kommt oder nicht. Daher werden bei CW-Lasertests häufig Optiken mit hochreflektierenden Beschichtungen verwendet, da diese einen Teil der Wärme von der Optik weg reflektieren können.

Die Art und Weise, wie die Probe montiert wird, ist ein weiterer wichtiger Parameter, der berücksichtigt werden muss. Manchmal kann durch die Befestigung eine mechanische Belastung eingeführt werden, die die Auswirkungen der thermischen Belastung durch die Laserabsorption verstärken kann. Ob die Probe mit Klebstoff befestigt ist oder nicht, hat ebenfalls Einfluss auf die Wärmeübertragung in der Optik. Darüber hinaus besteht bei der Wahl der Halterung die Möglichkeit der Kühlung durch Konvektion als Folge des Luftstroms über der Probe. Das Vorhandensein eines Kühlkörpers und wie effektiv dieser die von der Optik ausgehende Strahlung absorbiert, kann die Zerstörschwelle der Probe erheblich erhöhen.

Skalierung der CW-Zerstörschwelle:

Eine Studie von Slinker, et al. (2019) korreliert die CW-Laser-induzierte Schädigung direkt mit dem Temperaturanstieg der optischen Oberfläche im Zentrum des Strahls aufgrund von Absorption. Für Quasi-CW- und CW-Lasersysteme ist die Wärmediffusionsgleichung in der Lage, die LIDT vorherzusagen und zu skalieren. Bei der Modellierung der Zerstörschwelle von hochreflektierenden Optiken werden zwei Fälle betrachtet: Flutbeleuchtung und Punktbeleuchtung.⁴

Als Flutbeleuchtung wird eine große Beleuchtungsfläche einer dünnen, reflektierenden Optik mit einem an einem Kühlkörper montierten Detektor betrachtet. Eine Punktbeleuchtung ist eine kleine Beleuchtungsfläche relativ zur Dicke einer freistehenden, reflektierenden Optik.⁴

Wenn Konvektion und Strahlung an jeder Oberfläche ignoriert werden, kann der Temperaturanstieg auf der Oberfläche im Zentrum des Strahls über die Zeit $ \left( \small{t} \right) $, bestimmt werden durch:⁴

Charakteristische Zeit:

Dabei ist $ \small{T_0} $ die Anfangstemperatur der Probe, $ \small{\alpha} $ ist der Absorptionsanteil bei der Bestrahlungswellenlänge, $ \small{\phi} $ ist die lineare Leistungsdichte, $ \small{k} $ ist die Wärmeleitfähigkeit des Substrats, $ \small{\rho} $ ist die Probendichte $ \small{r} $ ist der Radius der Probe und $ \small{c_p} $ ist die spezifische Wärmekapazität $\left[ \tfrac{\text{J}}{\text{g K}} \right] $.

Die Zerstörschwelle gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass die Optik unter einer bestimmten Menge an Laserstrahlung versagt. Für CW-Laser kann diese Schwelle als lineare Leistungsdichte $ \small{\phi_{DT}} \left[ \tfrac{\text{W}}{\text{cm}} \right] $, betrachtet werden, die nachweislich mit zunehmender Belichtungszeit abnimmt. Wenn Umgebungsbedingungen ignoriert werden, kann der Minimalwert der linearen Leistungsdichte als Funktion der Belichtungszeit bestimmt werden, indem $ \small{T} $ gleich der Ausfall- oder kritischen Temperatur $ \small{T_c} $ gesetzt und für $ \small{\phi} $ bestimmt wird:⁴

Unter diesen Bedingungen ist die zur Schädigung der Probe erforderliche Laserleistung eine konstante lineare Leistungsdichte. Außerdem schreibt die ISO-Norm die Skalierung in linearer Leistungsdichte und nicht in Bestrahlungsintensität vor.⁴
Alternativ ist unter Berücksichtigung der Prüfbedingungen für eine freistehende reflektierende Optik der Temperaturanstieg an der Oberfläche über die Zeit $\left( \small{t} \right)$ :⁴

Charakteristische Zeit:

Dabei ist $ \small{T_0} $ die Anfangstemperatur der Probe, $ \small{T_{\text{Air}}} $ die Temperatur der die Probe umgebenden Luft, $ \small{L} $ die Probendicke, $ \small{I} $ die Strahlungsintensität $ \left[ \tfrac{\text{W}}{\text{cm} ^2} \right] $, $ \small{\alpha} $ der Absorptionsgradanteil bei der Bestrahlungswellenlänge und $ \small{t} $ die Belichtungszeit. In beiden obigen Gleichungen ist $ \small{h_{\text{eff}}}$ der effektive Konvektionskoeffizient – die Summe der Beiträge von Konvektion und Strahlung. Dieser Koeffizient wird verdoppelt, um beide Oberflächen der Probe zu berücksichtigen.

Unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen, bei denen ein signifikanter Luftstrom über der Optik und Strahlung von der Oberfläche der Optik vorhanden ist, kann die Strahlungsintensität der Zerstörschwelle wie folgt berechnet werden:⁴

Diese Strahlungsintensität der Zerstörschwelle nimmt bis zu einem Minimalwert ab:⁴

Abbildung 2: Strahlungsintensität mit zunehmender Belichtungszeit, unter zwei Testbedingungen – letztlich wird der Effekt des Luftstroms über der Probe während des Tests dargestellt.⁴

Abbildung 3: Die Zerstörschwelle von Proben, die mit Quasi-CW- und CW-Lasern bestrahlt wurden, nimmt mit zunehmendem Strahldurchmesser und der Belichtungszeit ab.

Schlussfolgerung

Für alle betrachteten Strahldurchmesser nimmt die Zerstörschwelle von Proben, die mit Quasi-CW- und CW-Lasern bestrahlt werden, mit zunehmendem Strahldurchmesser und Belichtungszeit ab. Je größer der Strahl ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass er auf mehrere Defekte in der Optik trifft, wodurch die Zerstörschwelle sinkt. Die Art und Weise, wie sich die Wärme durch die Probe ausbreitet, hängt von den Abmessungen und der Wärmekapazität des verwendeten Substrats ab. Unter Bedingungen, bei denen ein schneller Luftstrom über die Probe strömt, ist die Temperatur an der Oberfläche der Optik stark reduziert und daher ist die Zerstörschwelle viel höher als bei einer ungekühlten Optik.

Der schwierigste Teil des Spezifizierens von LIDT für CW-Lasersysteme ist das Testen von Proben unter reproduzierbaren Bedingungen. Verschiedene Anwendungen erfordern unterschiedliche Laserleistungen, Strahldurchmesser und andere nützliche Parameter, und nicht jeder Anwender wird in der Lage sein, die Umgebung, unter der die Optik getestet wurde, nachzustellen. Montage, Ruhezeit, Umgebungsbedingungen und verschiedene andere Parameter können die Zerstörschwelle einer Optik verändern. Die Vielfalt der in dieser Application Note erwähnten Testbedingungen verdeutlichen die Herausforderungen bei der Spezifikation von CW-LIDT.

Referenzen

1. Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold — Part 1: Definitions and general principles. (n.d.). Retrieved December 14, 2020, from https://www.iso.org/obp/ui/
2. Palmer, J. R. (1983). Continuous Wave Laser Damage on Optical Components. Optical Engineering, 22(4), 435-446.
3. Palmer, J. R. (1989). Thermal Shock: Catastrophic Damage To Transmissive Optical Components In High Power Continuous Wave And Repetitive Pulsed Laser Environment. Proceedings of SPIE, 1047, 87-140.
4. Slinker, K., Pitz, J., Sihn, S., & Vernon, J. P. (2019). Determining and scaling continuous-wave, laser-induced damage thresholds of thin reflectors. Optics Express, 27(4), 4748-4757.

More Resources

• Understanding and Specifying LIDT of Laser Components
  
• Laser Damage Threshold Testing Application Note
• Uncertainty in LIDT Specifications Application Note
• Different Types of LIDT Specifications Application Note
• Bulk Laser Damage in Glass Application Note
• Importance of Beam Diameter on Laser Damage Threshold Application Note
• LIDT for Ultrafast Lasers Application Note
• Why Laser Damage Testing is Critical for UV Laser Applications Application Note
• Metrology for Laser Optics Application Note
• Key Parameters of a Laser System Application Note
• Laser Optics Lab Video Series