LIDT 简介

激光诱导损伤阈值 (laser-induced damage threshold，LIDT)) 在 ISO 21254 中定义为，“光学器件推测的损伤概率为零的最高激光辐射量”。1LIDT 旨在指定激光器在损伤发生前能够承受的最大激光能量密度（脉冲激光器，通常以 J/cm²为单位）或最大激光强度（连续波激光器，通常以 W/cm²为单位）。由于激光损伤试验的统计性质，LIDT 不能被视为低于此值则绝对不会发生损伤的能量密度，而是低于此值则损伤概率小于临界风险水平的能量密度。风险水平取决于几个因素，如光束直径、每个样品的测试点数量，以及为了确定规格而测试的样品数量。

光学组件中的激光损伤会导致系统性能降低，甚至可能因此导致灾难性的故障。对 LIDT 理解不正确可能会导致成本显著提高或组件故障。尤其是在处理高功率激光时，LIDT 是各类激光光学组件（包括反射性、透射性和吸收性组件）的重要规格。业界在如何测试 LIDT、如何检测损伤以及如何解释测试数据方面缺乏共识，这使得 LIDT 成为一个复杂的规格。LIDT 值本身并不表示用于测试的光束直径、管理的每个测试点的样本数量或测试数据的分析方式。

为了确定激光器的强度是否会对光学元件造成损伤，需要对激光的功率、光束直径以及激光是连续波还是脉冲等规格进行检查。对于脉冲激光器，还必须考虑脉冲持续时间。

激光束的强度是指单位面积的光功率，通常以 W/cm² 为单位测量。激光在光束横截面上的强度分布就是强度分布。最常见的强度分布包括平顶光束和高斯光束。平顶光束（或称顶帽光束）在光束横截面上的强度分布是恒定的。高斯光束的强度曲线依照高斯函数，随距离光束中心的距离增加而减小。高斯光束的峰值能量密度是具有相同光功率的平顶光束的两倍（图 1）。

图 1: 相同光功率下的高斯光束和平顶光束的比较2

高斯光束的有效光束直径也随着注量的增加而增大。随着注量的增加，光束宽度的较大部分具有足够的注量来引发激光诱导的损伤（图2）。这可以通过使用平顶光束而不是高斯光束来避免。

图 2: 高斯光束的有效直径随能量密度的增加而增加，并导致激光诱导损伤的概率升高，表现为能量密度最大的曲线宽度下的损伤点更多

激光的强度在确定与其一起使用的光学元件所需的 LIDT 方面起着重要作用。一些激光还包括一些其它产生热点因素的区域，它们可能会导致激光诱导损伤。

2.1连续波激光器

连续波 (CW) 激光器的损伤通常是由于光学镀膜或基片吸收引起的热效应造成的。由于胶合剂的吸收或散射，胶结光学元件（如消色差）的连续波损伤阈值往往较低。

要了解 CW LIDT 规格，必须了解激光器的波长、光束直径、功率密度和强度分布（如高斯或平顶）。CW 激光器的 LIDT 表示为单位面积的功率，通常用 W/cm² 表示。例如，如果使用 5mW, 532nm Nd:YAG 激光，且平顶光束的直径为 1mm，则功率密度为：

因此，如果为光学元件指定的 LIDT 小于 0.64W/cm²，那么在 532nm时，用户将面临光学损伤的风险。如果使用高斯光束，则需要添加额外的系数。

2.2脉冲激光器

脉冲激光器以给定重复频率发射激光能量的离散脉冲（图 3）。每个脉冲的能量与平均功率成正比，与激光器的重复频率成反比（图 4）。

纳秒级短激光脉冲造成的损伤通常是由于暴露在激光束的高电场中导致材料的介电击穿。2 当电流流过绝缘体时，由于施加的电压超过了材料的击穿电压，就会发生介电击穿。对于较长的脉冲宽度或重复率较高的激光系统，激光诱导损伤可能是由热诱导损伤和介电击穿结合造成的。这是因为脉冲持续时间仍然与电子晶格动力变化的持续时间有关，而电子晶格动力变化是导致热损伤的原因。对于持续时间约为10ps 或更少的超短脉冲，这些热工过程可以忽略不计。4 在这种情况下，通过多光子吸收、多光子电离、隧穿电离和雪崩电离等机制，从价带到导带的电子的非线性激发会导致损伤。

图 3: 脉冲激光的脉冲随时间按重复率的倒数分离

图 4: 描述取决于脉冲激光器在给定平均功率下的重复率的脉冲能量

脉冲激光器的 LIDT 指定为以 J/cm² 为单位的能量密度，而不是功率密度。务必认识一点，尽管 J/cm² 不包含时间单位，但损伤阈值取决于脉冲持续时间。在大多数情况下，LIDT 能量密度值会随着脉冲持续时间的增加而增加。要了解脉冲 LIDT 规格，必须了解激光器的波长、光束直径、脉冲能量、脉冲持续时间、重复频率和强度分布（如高斯或平顶）。脉冲激光器的能量密度，脉冲能量和光束直径之间的关系定义如下：

例如，脉冲能量为 10mJ，脉冲持续时间为 10ns，光束直径为 10um 的Q 开关（脉冲）激光器将具有以下能量密度：

千焦耳级别的能量密度值高得令人难以置信，而且几乎肯定会损坏光学元件，因此在计算中务必考虑光束直径而不仅仅是激光能量。

3.损伤机制

除了热积累和介质击穿之外，激光诱导损伤还可能由激光与某种缺陷的相互作用引起。缺陷包括研磨和抛光过程留下的表面下损伤、光学元件上留下的抛光磨粒的极小颗粒，或镀膜上留下的一团团金属元素。每个缺陷源都表现出不同的吸收特性，因为任何给定缺陷的性质和大小都将决定光学元件在不造成损伤的情况下能够承受的激光强度。

如前所述，脉冲持续时间对导致激光损伤的机制有很大的影响（图 5）。飞秒到皮秒量级的脉冲持续时间可以激发从材料的价带到导带的电荷载子，进而导致非线性效应，包括多光子吸收、多光子电离、隧道电离和雪崩电离（表 1）。通过载波-载波散射和载波-声子散射，将载子从导带驰豫到价带，皮秒到纳秒量级的脉冲持续时间就可能导致损伤。

图 5: 不同激光诱导损伤机制的时间依赖性

表 1: 不同损伤机制的说明

损伤机制

描述

多光子吸收

能量低于材料带隙能量的两个或多个光子同时被吸收，使吸收不再与强度成线性正比的吸收过程。

多光子电离

吸收两个或两个以上光子，其联合能量导致材料中原子光电离的过程。

隧穿电离

超短激光脉冲产生的强电场使电子通过“隧道”穿过使其与原子结合的潜在屏障，使它们得以逃脱的过程。

雪崩电离

超短激光脉冲产生的强电场使电子加速并与其他原子碰撞的过程。这会使它们电离并释放更多电子，并继续电离其他原子。

载子间散射

被电场加速的电子与其他电子发生碰撞，使它们散射并与更多电子发生碰撞的过程。

载子-声子散射

被电场加速的电子激发声子或材料晶格中的振动的过程。

介质击穿

由于施加的电压超过材料击穿电压而使电流流经绝缘体的过程。

热效应

由激光脉冲能量引起的材料扭曲和振动所导致的热扩散。

不同的损伤根源产生不同的激光诱导损伤形态（图 6）。了解这些形貌对于镀膜和工艺的发展很重要，但对于激光光学应用来说，形态学仅对确定损伤是否会显著降低激光系统的性能很重要。系统能够处理的性能下降程度取决于应用。例如，在某些情况下可以容忍透射降低 10%，但在另一个系统中，如果散射的入射光超过 1%，就可能出现故障。根据 ISO 21254:2011 标准，激光元件在暴露于激光后出现的可察觉变化都被认为是损伤。

图 6: 不同根源引起的不同激光损伤形态

4. 激光损伤阈值的测试

激光损伤测试具有内在的破坏性。接受测试的光学器件暴露在一定程度的激光能量密度下，然后进行检测，通常使用诺玛斯基型微分干涉差(DIC) 显微镜进行检查。然后增加能量密度，并重复暴露和检查步骤。这个过程一直持续到在光学器件上观察到损伤。

根据ISO 21254，任何可检测到的光学器件变化都被认为是“损伤”。根据损伤评估方式，可能会产生不同的LIDT 值，因为并非所有测试都使用相同的损伤检测方案，而且不同的操作人员可能会选择不同的信噪比阈值。必须认识到，ISO定义的“损伤”并不一定意味着性能下降，因为它取决于应用。

LIDT 测试由单一或多样本测试指定：

单一样本测试（也称为 1-on-1 测试）包括在具有不同激光能量密度的光学器件的至少 10个不同采样点上采集的一个激光辐射样本。

该能量密度下所有测试点上的损伤点数量确定特定能量密度下的损伤概率。损伤概率的绘制取决于能量密度，然后将数据线性外推以找到损伤概率为0%的位置，得到 LIDT值，如图7所示。

图 7:单一样本测试的采样数据

多样本（或称为 S-on-1）测试与单一样本测试的不同之处在于，它在每个测试点上使用一连串激光样本或脉冲，而不是单一样本。每个测试点（或称S）的平均样本数在10到1000之间。多样本测试可以更好地预测光学器件的真实性能，并使LIDT测试人员能够避免被称为“早夭区域”的现象。（早夭区域：如果在每个测试点使用1到10个样本，测试结果是非确定性的，并且有很高的统计差异；这使得每个测试点的样本范围被称为早夭区域。当S大于10时，测试结果更具确定性和可预测性。因此，在每个测试点使用大约100个左右样本，可以收集足够的信息来预测光学的长期性能。不过，在每个测试点使用更多样本会增加LIDT 测试的时间和费用。）

通过对测试数据进行线性外推来确定损伤概率为零的激光能量密度，从而确定光学器件的指定 LIDT。不过，这是线性拟合数据，而不是真正的线性数据。这个值不能提供所有必要的信息，而且损伤仍然可能发生在 LIDT 或 LIDT 以下。威布尔和伯尔分布是连续的概率分布，它们为 LIDT 数据提供了更精确的拟合。

图8：真实 LIDT 测试数据

在图8中，红色垂直线表示LIDT。但在5 J/cm2左右的能量密度下，即使低于指定的LIDT值，损伤概率也不为零。损伤概率的垂直误差条由测试点的数量引起，水平误差条则由测试激光器的样本差异引起。因为没有一种激光是完美的，所以总会有一定程度的热点或强度波动。这就有必要增加一个安全系数，选择一个LIDT高于激光器使用条件的光学器件。所需的安全系数在很大程度上取决于激光器的应用和类型，因

此没有适用于所有情况的通用安全系数。一般的行业惯例是使用三分之二的安全系数。

5. 激光损伤的检测方法

根据用于评估损伤的检测方法，测试结果可能会有显著差异，目前业内对使用哪种方法没有共识。

5.1微分干涉差显微镜检测

诺玛斯基型微分干涉差 (DIC) 显微镜是按照ISO 21254标准进行激光损伤检测最常用的方法。DIC显微镜采用干涉测量法提高透明样品的图像对比度，从而能观察到其他方法难以识别的缺陷。一旦拍摄测试前和测试后的光学器件的图像，便可以通过人为判断或图像处理技术识别损伤。由于操作者对损伤的主观识别不同，人为判断测试结果可能会存在巨大差异，图像处理算法在检测损伤时则不会出现人为误差。不过，即使是在图像处理中，也可能由于光晕、不均匀照明或不对齐造成误报。除了确认损伤的存在，DIC显微镜还可以确定缺陷的尺寸。

5.2散射光检测

ISO 21254中定义的另一种常见检测方法是散射光诊断。该方法利用目标点散射的光确定激光诱导损伤的存在和特征。在散射光诊断中，探测光束（通常是 He-Ne 激光器）照亮目标位置，任何明显大于背景噪声的散射信号差都意味着光学器件上存在损伤。探测光束本身会在到达探测器之前被阻挡，因此只能从损伤点检测到散射光。在用于散射光诊断的标准设置中，探测器的实角越大，测量灵敏度越高。这种方法

的一个缺点在于它严重依赖于背景噪声的数量。这种依赖性可以通过多次测量并对结果求平均值、增加探测器的增益或滤除背景噪声来克服。

5.3等离子体闪光监测

等离子体闪光监测是检测激光损伤的另一种方法。激光诱导损伤常常导致非共振光击穿在光学表面产生等离子体（称为等离子体闪光），这会使损伤点周围形成等离子体烧灼。识别到等离子体闪光或烧灼是光学器件受损的明显迹象。等离子体烧灼的表面积相对均匀，这使得它们很难通过显微镜或散射光诊断检测。不过，等离子体闪光本身可以在LIDT测试期间通过收集透镜将任何等离子体闪光的光聚焦到检测器上

来进行检测。要检测LIDT，需要将测试激光器的散射光过滤掉，而且探测器的响应时间必须小于等离子体闪光的持续时间，等离子体闪光通常在100ns内达到最大值。

5.4形态学分析

激光损伤形态学分析包括生成激光诱导损伤点的高度图，描述损伤的大小和深度。这种方法不像其他检测方法那样常用，因为它通常比较繁琐和耗时。不过，通过这种方法提供了有价值的信息来理解造成损伤的潜在机制。可以采用多种不同的技术来进行形态学分析，包括光学显微镜、原子力显微镜 (AFM)、扫描电子显微镜 (SEM)、台阶仪和白光干涉法 (WLI)。不同的技术适用于检测不同类型的激光诱导损伤。台阶仪和AFM是精确测量浅损伤点（直径约为200μm 或更小、深度为1纳米量级）的理想选择。这两种技术都涉及到使用机械探头扫描样品，并根据探头的挠度生成高度图。AFM系统能够达到纳米量级的分辨率，即比可见光的光学衍射极限小1000倍的分辨率。相较于台阶仪和AFM、SEM能更有效地测量宽高比（宽深比）约为1的深层损伤点，包括多层镀膜沉积留下的坑。SEM通过使用聚焦电子光束扫描样品表面来生成图像，这种电子光束的穿透深度比光子深得多。台阶仪和AFM不适合测量深层损伤点，因为陡坡使得接触探针难以到达缺陷底部并生成精确的测量结果。由于传统的形态学分析技术只对光学表面进行调查，所以很难测量穿透到大块材料或精确结构的极深损伤点。为了测量这些损伤点，必须通过切割或蚀刻将大块材料暴露出来，以便使用前面提到的其中一种技术在不同深度进行横断面测量。这些横截面可以组合成一个完整的三维形态图。

6. 光束直径对激光损伤阈值的重要性

激光的直径会严重影响光学器件的LIDT，因为光束直径直接影响激光诱导损伤的概率。如果用于LIDT测试的激光器光束尺寸明显大于光学器件上的缺陷密度，触发稀有损伤机制的可能性很高，这些不太可能发生的事件是可以检测的。如果光束尺寸太小，缺陷密度就不一定可以检测到，而且光学器件看起来比实际上更耐损，这是因为小直径光束不太可能与测试的光学器件上的低密度缺陷重叠，这会导致LIDT值过于乐观。

ISO 21254 中允许LIDT测试的最小光束直径为0.2mm。许多激光光学器件供应商更倾向于使用尽可能小的光束，因为这样更容易获得高能量密度，尽管这可能导致表面“取样不足”。

图9展示激光损伤如何随光束直径的变化而变化。在所示的场景中，大量缺陷具有10J的阈值能量密度，少量缺陷具有1J的阈值能量密度。通过这个简化的模型可以洞察现实使用情况，因为激光光学器件通常包含不同类型的缺陷、具有不同密度和个别损伤阈值。将光束直径从0.2mm缩放到10mm将会极大改变损伤概率函数，从而改变测试得出的LIDT值。在0.2mm的光束中，检测到1J阈值缺陷的几率很小。因此，在能量密度达到10J前，损伤概率会保持在较低水平。如果将波束大小从0.2mm增加到2mm，检测到1J阈值缺陷的可能性会更大，因此会导致1J能量密度下的损伤概率急剧增加。当光束直径缩放到10mm时，1J下的损伤概率会增加到几乎必然的损伤概率。

7. 按比例缩放 LIDT

损伤阈值取决于波长和脉冲持续时间。如果光学器件的指定LIDT的波长或脉冲持续时间与应用情况不同，则必须在应用条件下对LIDT进行评估。尽可能避免LIDT按比例缩放。尽管很难提供适用于所有情况的严格缩放规则，但存在将LIDT值从原始波长 (λ1)和脉冲持续时间 (τ1)按比例缩放到新波长 (λ2)和脉冲持续时间 (τ2)的一般规则。

这种按比例缩放不应该应用于较大的波长或脉冲持续时间范围。例如，对于从 1064nm偏移到1030nm的波长，可以用上式推算。但是如果用1064nm的 LIDT值来推算一个完全不同的波长，例如355nm，就不能用上式了。

注意，从短波长向长波长缩放可能低估损伤阈值。

LIDT 随波长和脉冲持续时间的变化而变化，也随光束直径的变化而变化。对于光束直径的细微变化，可以通过将原始 LIDT 值乘以原始直径与新直径之比的平方来计算近似值。

8. LIDT规范中的不确定性

LIDT 规范不能绝对保证某个值以下不会发生损伤。LIDT值的不确定性是由测试激光器中的波动、损伤检测方法以及对光学器件上的缺陷采样不足引起的。这种不确定性会导致一个围绕真实损伤概率的置信区间，该置信区间取决于能量密度。LIDT测试得到的是基于实验数据二项分布的概率函数。在真实环境中发生的损伤的置信区间可以采用依赖于概率函数和观察次数的威尔逊分数区间来确定。威尔逊分数区间 (w)为二项比例置信区间，计算公式为：

上式中，n是每个能量密度级别的样本数，P是实验确定的损伤概率，z是标准正态分布的概率单位，或称为分位数函数。z对应于期望的置信水平。例如，z=1.96 表示 95% 的置信水平。

图10：光学器件损伤概率的置信区间

在图10中，红色面为是否发生损伤的置信区间上限，蓝色面为置信区间下限。在图10中，按照每个能量密度水平10个样本的标准，只能知道大约±25%区间的损伤概率。如果在10个测试点上看到零损伤事件，那么在第11个测试点上发生损伤的最坏情况概率大约为25%。为了知道优于±5%的损伤概率，需要在每个能量密度水平采集100个样本。在每个能量密度水平上采集大量样本通常成本高昂，这使得模拟成为预测光学器件真实行为的理想选择。

参考资料：

 （1）EdmundOptics《激光光学资源指南》

 （2）THORLABS《光学器件操作和损伤阈值教程》