近些年，4K、3D、一次性使用技术、特殊光（如荧光）成像技术、超细医用内窥镜技术、大数据、人工智能等技术迅速发展，并陆续应用于内窥镜领域及激光领域。同时，许多来上海医疗器械展Medtec中国展参观的生产工程师也来现场专门学习企业先进的光学器件的研发制造技术，反射镜和折射光学镜（例如镜子，窗户，透镜，滤光片，偏振片和棱镜）用于可靠地操纵高能激光束。设计人员必须考虑诸如波长，成本和系统几何形状之类的变量，以选择合适的光学器件来生产高度可靠和坚固的系统。 一个经常被忽视的因素是激光损伤阈值（LDT）。

激光除了具有单色，定向和相干性外，还可以发射高能，这会损坏光学器件。与激光一起使用的光学器件通常包含介电反射或减反射（AR）涂层，该涂层由高折射率和低折射率的交替层组成，容易被激光带来的高能量和功率密度损坏。大块光学基板本身的故障很少见。

这些涂层通常会先于光学材料破裂。损坏可能以多种方式表现出来，并且可能随着时间的推移而稳定或在数量或尺寸上不断增长，大多数破坏机制都发生在涂层内或涂层/玻璃界面处。这些故障机制可以将光学器件的LDT降低100倍或更多，具体取决于许多变量。LDT测试证明光学器件及其涂层能够承受高功率激光器的极端辐射和热能密度，而不会受到损坏。由于光学器件的激光损伤阈值通常是可在激光系统中使用的峰值功率的限制因素，因此在选择合适的组件之前，仔细观察LDT是至关重要的。

激光除了具有单色，定向和相干性外，还可以发射高能，这会损坏光学器件。与激光一起使用的光学器件通常包含介电反射或减反射（AR）涂层，该涂层由高折射率和低折射率的交替层组成，容易被激光带来的高能量和功率密度损坏。大块光学基板本身的故障很少见。 这些涂层通常会先于光学材料破裂。损坏可能以多种方式表现出来，并且可能随着时间的推移而稳定或在数量或尺寸上不断增长，大多数破坏机制都发生在涂层内或涂层/玻璃界面处。这些故障机制可以将光学器件的LDT降低100倍或更多，具体取决于许多变量。LDT测试证明光学器件及其涂层能够承受高功率激光器的极端辐射和热能密度，而不会受到损坏。由于光学器件的激光损伤阈值通常是可在激光系统中使用的峰值功率的限制因素，因此在选择合适的组件之前，仔细观察LDT是至关重要的。

激光如何损坏光学元件

激光会以多种方式损坏光学材料。在透明材料中，会发生入射光的非线性吸收。为了使材料永久损坏，材料必须吸收激光能量而不是允许其透射。当使用连续波（CW）激光器时，会热引起光学组件的损坏，而使用脉冲激光器时，电离损坏机制起主导作用。有两种非线性的“激发”机制可以使激光能量吸收，从而导致激光引起的击穿和破坏：光电离和雪崩电离。光电离是激光束中多个光子对电子的直接刺激。当同时存在的光子吸收了足够的能量时，它可能会在高频率的激光下发生，而当激光的强电场抑制价电子与其原子的结合时，会在较低的频率下发生。当电子被激发到更高的能带时，表面结构被电离，直接造成永久性损坏或为随后的失效机理创造有利的状态。在雪崩电离期间，强电场和激光能量的吸收会同时加速电子。这种加速使电子相互碰撞，更多地敲入导带并进一步电离介质，形成链反应。能量通过热传导扩散通过材料，当温度升高到足以使材料熔化或破裂时，就会发生损坏。激光能量吸收率和材料的热导率共同决定了光学器件的损伤阈值（图1）。

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光学器件的LDT如何确定

使用各种技术在大块材料内部和光学基板表面上测量脉冲激光损伤阈值。为了确定整体光学击穿点和损坏点，可以使用差分干涉对比（DIC）和暗场散射技术。用这种技术，可以测量激光能量，脉冲持续时间和光束轮廓。然后使用具有不同数值孔径（NA）的多个显微镜评估样品。需要多个NA来最小化非线性传播效应，例如自聚焦和像差。可以通过聚焦在最佳深度来对强度和激光光斑大小进行校正。当使用带有DIC的光学显微镜来检测散装材料的损坏时，用不同能量的激光照射被测光学器件，并使用多种照明技术观察损坏。激光传输开始下降的能量是光学击穿和损坏的能量阈值。暗场散射技术也可用于检测不同激光波长下的损伤。泵浦激光束与探测激光束一起发送到样品中。当泵浦激光器造成损坏时，来自探测光束的光会以较大角度散射，由显微镜物镜收集，然后聚焦到检测器上。

使用各种技术在大块材料内部和光学基板表面上测量脉冲激光损伤阈值。为了确定整体光学击穿和损坏的点，可以使用差分干涉对比（DIC）和暗场散射技术。用这种技术，可以测量激光能量，脉冲持续时间和光束轮廓。然后使用具有不同数值孔径（NA）的多个显微镜评估样品。需要多个NA来最小化非线性传播效应，例如自聚焦和像差。可以通过聚焦在最佳深度来对强度和激光光斑大小进行校正。当使用带有DIC的光学显微镜来检测散装材料的损坏时，用不同能量的激光照射被测光学器件，并使用多种照明技术观察损坏。激光传输开始下降的能量是光学击穿和损坏的能量阈值。暗场散射技术还可用于检测不同激光波长下的损坏。泵浦激光束与探测激光束一起发送到样品中。当泵浦激光器造成损坏时，来自探测光束的光会以较大角度散射，由显微镜物镜收集，然后聚焦到检测器上。

选择光学元件时要考虑的规格

激光损伤阈值指定为功率密度。功率密度是连续波激光器的每横截面光束面积的功率，单位为W/cm2，或者是脉冲激光器中特定脉冲持续时间的能量密度，单位为J/cm2。

对于连续波激光器，如果1瓦1064nm连续激光器的横截面光束面积为2cm2，则功率密度将按照公式1计算：

对于脉冲激光器，LDT的单位相似，但是由于功率中的时间成分，用占空比来描述激光器的功率很不方便，因此行业惯例是使用能量单位代替功率，是消耗能量的速率。能量密度是特定脉冲持续时间内每个横截面光束面积的能量。因此，如果1焦耳、10ns 的1064nm脉冲激光的横截面光束面积为2cm2，则能量密度将按公式2计算在10ns脉冲宽度下:

从理论上讲，由于光子的能量与波长成反比，因此能量和功率密度与波长呈线性关系，如公式3所示：

其中PD（y）是新波长下的功率或能量密度，PD（x）是旧波长下的功率或能量密度，λy是新波长，λx是旧波长。

当为不打算使用的波长提供LDT额定值时，一般经验法则可以轻松确定是否可以使用激光而不损坏光学器件。 可以使用功率密度为1064nm的2W/cm2的激光器，额定波长为532nm的光学器件为1W/cm2，额定为355nm的光学器件为0.667W / cm2等，以最小的方式损坏光学器件。 牛顿的平方根比例因子可用于确定是否可以将激光器与未在相同脉冲持续时间内额定的光学器件一起使用。公式4为新的脉冲持续时间提供了新的LDT

其中LTD（y）是激光y的新激光损伤阈值，LDT（x）是激光x的原始激光损伤阈值，ty是激光y的脉冲持续时间，tx是激光x的脉冲持续时间。

例如，Edmund Optics TECHSPEC激光非线偏振分束器在10脉冲持续时间内在532nm处的激光损伤阈值为3J/cm2。对于具有20ns脉冲的532nm激光器的人，根据等式5中的计算，新的激光器损坏阈值约为4.3J / cm2：

对于更长的脉冲持续时间，可以期望更高的LDT。通常，较短的脉冲将比较长的脉冲具有更高的峰值功率。因此，光学器件通常可以在较长的脉冲持续时间内暴露于较大的能量密度。

LDT对光学制造的依赖性

了解镀膜光学器件的LDT并不是一门精确的科学。它并不总是那么简单，并且涉及许多难以控制的变量。在埃德蒙光学公司对LDT进行的经验研究已经形成了一组趋势或“经验法则”，在选择带或不带涂层的光学器件时要牢记以下几点：
• 就LDT而言，金属涂层具有二元性能。它们承受能量密度，并且在失效时会突然表现出明显的明显损坏。
• 与金属涂层相比，电介质或多层涂层的故障率通常较低，随着损坏可能性的增加，损坏开始的速度很慢。
• 经验数据表明，在某些条件下，LDT按波长线性缩放。对于更长波长的脉冲激光，已经看到了更高的损伤阈值。
• LDT可能取决于能级之间的能隙，较大的带隙显示出更高的LDT。然而，当非线性光学效应开始在块状光学基板中显现时，这种趋势改变。
• 在将涂层应用于光学器件之前，如何准备表面非常重要。LDT还高度依赖于施加光学涂层的成分和其他因素以及制造中所使用的材料。

其他准则来自光学测试相关的准则，例如观察到某些玻璃基板在暴露于大气时会发生反应，从而严重影响了光学器件的LDT。要在反应性玻璃上保持最高的损坏阈值，就需要将它们存储在惰性气体中或浸入溶液中。用于在光学基板上施加抗反射涂层和其他涂层的各种沉积工艺会影响LDT。最常见的是，二氧化硅或其他玻璃基板使用诸如电子束（E-beam），离子辅助沉积（IAD），等离子辅助，离子束溅射（IBS），磁控溅射，氧化增强溅射等技术在洁净室中沉积，化学气相沉积，溶胶凝胶，激光沉积或原子层沉积。

在查看已发布的光学或光学镀膜LDT规范时，重要的是要了解表1中汇总的因素会影响LDT值及其确定方式。损坏结果可能会因“激光变量”列中的因素而有所偏差。这些参数的精确测量允许更准确的评估。 “底物变量”列指示光学材料的固有属性以及如何制备它们。 “涂层变量”列指示已知在涂层制造过程中影响LDT的最重要因素。“测试变量”列中的因素对于确保单次射击和多次射击测试中的精确损坏结果非常重要，这些结果通常遵循ISO文件11254第1部分和第2部分指定的标准化方法，上海医疗器械展Medtec 中国展现场会议还涉及更多关于政策监管、3D打印、骨科齿科、医械设计、高端材料、粘接焊接、植入介入等议题。

高能激光装置的一个示例，其中光学器件的LDT考虑至关重要
表一 LTD的影响因素

激光损伤竞赛证实了与制造过程的相关性

2008年Boulder薄膜损伤竞赛证实，某些涂层沉积工艺和材料始终如一地生产出具有比其他方法更高的激光损伤阈值的光学器件。耐激光IR激光镜面涂层在2008 XL年度巨石损坏研讨会上进行了测试。私人，大学和政府的参与者向独立的激光损伤测试服务部门提交了35个涂层二氧化硅样品，详细说明了涂层的数量，材料，沉积方法和光谱性能。用Borden等人指定的相同的薄膜损伤设置，测试方案和测试区域对样品进行双盲测试。在他的论文“一种改进的对镀膜光学器件进行激光损伤测试的方法”中，将镀膜中产生的激光损伤分为三类：
• 无损伤。
• 引发—–在不到1％的位置观察到精确损伤的大小小于100µm，并且在反复照射下它们不会增长。
• 失败—–在大于100µm的部位中> 1％发生了精确的损坏，或者在进一步照射下损坏部位的数量或大小增加了。请注意，在某些应用中，稳定的精确损坏可能是可以容忍的。

研究结果表明，在沉积的薄膜涂层中存在广泛的激光抵抗力。最高的耐激光膜是通过电子束沉积的，但是其他沉积技术（例如IAD，IBS和等离子辅助）也产生了出色的耐激光性。等离子刻蚀可能会通过更好的膜与基材的附着力而具有较高的耐激光性，而含Hafnia的薄膜往往会产生最大的耐激光性，而氧化物等

在一定的测试波长下，氧化铪，氧化钽和二氧化硅的性能优于金属膜。外涂层通常基于半波设计而称为缺席层，对HfO2 / SiO2涂层很有帮助，但对Ta2O5 / SiO2涂层却没有帮助。

结论

当设计包括大功率激光器的光学系统时，了解导致光学器件LDT的不同损坏机制至关重要。预期这些变量的影响可以避免无法预料的系统故障，从而确保光学系统在整个使用寿命期间的可靠性和鲁棒性。

来源：光学社区