瞭解及指定雷射元件的LIDT

雷射誘發損傷閾值 (LIDT) 是選擇或指定雷射光學產品時的重要參數。指定過低的 LIDT 可能造成元件在實驗室或現場發生嚴重故障，危害重要設備效能。不過若指定過高的 LIDT，則可能對裝置或應用造成不必要的費用，危及預算限制及裝置獲利。本指南將協助您瞭解 LIDT、影響 LIDT 的參數，以及如何適當指定 LIDT，確保享有競爭優勢。

瞭解 LIDT

雷射誘發損傷閾值 (LIDT) 也稱為雷射損傷閾值 (LDT)，在 ISO 標準之中定義為「光學元件推斷損傷機率為零的最高雷射輻射事件量」(ISO 21254-1:2011)。此項定義的目標是指定雷射光學產品在發生損傷前可承受的最大雷射通量（用於脈衝雷射，一般以 J/cm² 為單位）或最大雷射強度（用於連續波雷射，一般以 W/cm² 為單位）。可惜由於雷射誘發損傷的統計性質，以及推斷時採取的假設，無法將 LIDT 視為絕對不會產生損傷的上限值。誤解 LIDT 可能導致成本大幅增加，更糟糕的情況則是造成鍍膜層在現場失效。處理高功率雷射時，LIDT 是所有類型雷射光學產品的重要規格，包括反射、穿透及光束整型鏡頭元件。

圖1: 光學鍍膜中的雷射誘發損傷會降低效能，常導致嚴重故障。不同的損傷根本原因，會造成不同的損傷形態，因此辨別這些形態對鍍膜及製程開發相當重要。瞭解這種現象是必要的，因為過多指定會增加成本，而產生的損傷將降低雷射系統效能。

正確指定 LIDT 以節省時間

指定 LIDT 不應該是反覆程序。若能瞭解並適當指定下列參數，就無需重工及重新設計，大幅節省時間與成本。為了正確指定 LIDT，需要使用下列參數:

• 光束模式：用於進行測試的雷射光束軸向及/或橫向模式
• 波長
• 脈衝持續期間（不適用於連續波雷射）
• 重複率（不適用於連續波雷射）
• 光束輪廓：接受測試光學產品的光束輪廓，其中以高斯外形或平頂外形最為常見
• 光斑直徑：光學表面的光斑大小。這會影響瑕疵分佈對值的影響方式，且是需要指定的重要值。建議將此值保持在 0.5mm 或以上，避免在 LIDT 產生顯著的光斑尺寸效應，不過 0.2mm 是允許的最小尺寸
• 入射角
• 雷射光束偏振
• 測試類型：一對一（每個光斑將暴露在單一脈衝下）或 S 對一（每個光斑將暴露在 S 個脈衝下）

圖2: 在 1064nm 的一般 LIDT 測試，顯示 S 對一測試期間使用的不同通量，以及產生的損傷頻率。左側：雷射光反射鏡的損傷閾值為 7.5 J/cm²，展現清楚且相當陡峭的坡度。

依據 LIDT 選擇光學產品，並符合預算限制

計算元件圖紙所需指定的 LIDT，或是目錄零件應達到的最低 LIDT 值，是相對簡單的程序。首先請計算雷射光束在光束接觸光學表面位置的最大通量或強度，並確保說明光束輪廓。接下來請驗證系統中的其他表面，可能產生的後向反射或重影反射。即使前述反射是來自抗反射鍍膜表面，其聚焦時的強度可能高於原始入射光束。結果將決定任何光學表面遭遇的最大通量。

下一個重要步驟，就是針對光束的潛在熱點或輪廓及時間異常加入安全係數。此項係數的大小取決於雷射的類型、穩定性及對準情形。最後，由於雷射誘發損傷的統計性質，以及此項機率性質並未納入 ISO LIDT 定義中，請依據您應用的風險容許度考量使用額外安全係數。只要光學元件的任何 LIDT 值高於雷射通量及安全係數的乘積，就能符合您的需求；指定更高的 LIDT 只會增加成本而已。請記住：您不應該認為製造商元件可能未達 LIDT 規格而加入安全係數 - 經驗豐富的雷射光學產品製造商，應能一致地在所有元件達到其提出的 LIDT。

LIDT 製造商及成本

與製造成像或其他應用的光學產品相比，製造光學產品並使其一致地達到特定 LIDT，在設計及製造方面需要更高的關注程度。

第一步是確保鍍膜及組件設計均已進行最佳化，能提供所需的雷射功率。這需要分析鍍膜的電場分佈，在必要之處調整鍍膜設計，並分析潛在的重影反射以及調整光學組件的光學設計。

就實際製造而言，清潔度是最重要的一環。從製造環境的各項疑慮到鍍膜材料純度，確保清潔度是必要關鍵。低功率應用可接受的光學產品及鍍膜，可能不適合用於高功率鍍膜，因為其中的污染在低功率時可能不會影響效能。

此外，對低功率應用相對不重要的特定製程參數可能變得相當重要，例如拋光面的表面粗糙度。

光學製造商應能在接獲要求時，依據 ISO 21254 標準由獲得認可的測試機構產生測試報告。這樣可以證明鍍膜光學產品的效能驗證，在理想狀況下應提出多份測試報告，證明具備重複及可靠的效能。

避免調整 LIDT

調整 LIDT 具有爭議性，有許多不同的調整方法。雖然特定調整法則適用於特定材料及 LIDT 量測狀況，但並沒有根據實驗資料提出可普遍應用的 LIDT 調整公式，能夠在沒有量測新 LIDT 的情況下，精確判定在寬廣波長、脈衝持續期間或光斑直徑規模的新 LIDT。不過在波長、脈衝持續期間或光斑大小變化非常小的情況下，以脈衝持續期間平方根及波長線性調整等方式推斷調整 LIDT，通常是合理的估計方法。若應用的波長及/或脈衝持續期間並不接近指定的 LIDT 值，請勿嘗試進行調整或轉換。必須在正確的脈衝持續期間及波長執行測試，才能保證與應用相容。

瞭解 LIDT 可取得正確規格

LIDT 是指定及選擇雷射光學產品的重要參數，不過在完整瞭解的情況下，指定程序就應該相當簡單明瞭。瞭解雷射光束在光學產品的最高通量或強度，並考量所有輪廓及熱點，就可以產生所需的 LIDT。依此值或更高值指定的 LIDT，搭配適合您應用的相關光束參數，將產生符合您需求的光學產品。指定高於此值的 LIDT 將增加成本，對經驗豐富的雷射光學製造商而言並不需要如此處理，因為這類製造商能夠一致地在所有元件達到其提出的 LIDT。

參考資料

• ISO 21254-1:2011 – Lasers and laser-related equipment
• “Laser-induced damage thresholds of bulk and coating optical materials at 1030 nm, 500 fs”, Laurent Gallais and Mireille Commande, Appl. Opt. 53, A186-A196 (2014)
• "Fundamental mechanisms of laser-induced damage in optical materials: today’s state of understanding and problems," Alexander A. Manenkov, Opt. Eng. 53(1) 010901 (9 January 2014)
• "Experimental demonstration of laser damage caused by interface coupling effects of substrate surface and coating layers," Yingjie Chai et al., Opt. Lett. 40, 3731-3734 (2015)
• "Influence of the beam-focus size on femtosecond laser-induced damage threshold in fused silica," N. Sanner et al., Proc. SPIE 6881, Commercial and Biomedical Applications of Ultrafast Lasers VIII, 68810W (20 February 2008)
• "Pulse-shape and pulse-length scaling of ns pulse laser damage threshold due to rate limiting by thermal conduction," Michael D. Feit et al. , Proc. SPIE 3244, Laser-Induced Damage in Optical Materials: 1997, (20 April 1998)