Laserschadensereignisse in der Optik verfolgen und verstehen - Teil 01

1962 berichtete der amerikanische Wissenschaftler McClung FJ erstmals, dass der Silberspiegel des Rubinlaser-Resonators Lochbrandschäden aufwies, was der erste öffentliche Bericht über Laserschäden an optischen Komponenten war. Die anschließende Erfindung der Q-Switching-Technologie und Mode-Locking-Technologie erhöhte die Spitzenleistung von Laserpulsen um mehrere Größenordnungen. Das Problem der Laserbeschädigung zieht sich durch und beeinflusst die Konstruktion und den Betrieb von Lasern und fördert die Entwicklung optischer Materialien und Herstellungstechnologien für optische Komponenten. In den 1960er Jahren war die von den Vereinigten Staaten vorgeschlagene technische Konstruktion der Laser-Inertial-Confinement-Fusion der Ausgangspunkt für die systematische Erforschung von Laserschäden an optischen Materialien als Disziplin. Seit 1969 veranstaltet die Society of Photo-Optical Instrumentation Engineer (SPIE) die jährliche Konferenz zur Laserschädigung optischer Materialien, die eine wichtige Plattform für Wissenschaftler aus aller Welt zum Austausch wissenschaftlicher Forschungsfortschritte auf diesem Gebiet darstellt . Es wurde jedes Jahr vom National Institute of Standards and Technology (NIST) der USA für bisher mehr als 50 Sitzungen abgehalten. Diese Studien haben erfolgreich die verschiedenen Laserschadensprobleme gelöst, mit denen der Konstruktionsprozess einer Reihe großer Lasergeräte von Shiva, Nova, Beamlet bis NIF konfrontiert war.

Laserinduzierte Schäden an  Fenster der DKDP Pockelszelle-WISOPTIC

Kernproblem bei Laserschäden ist der Absorptionsmechanismus optischer Komponenten, also auf welche Weise und durch welche Kanäle Laserenergie auf optische Komponenten übertragen wird. Erst wenn Energie zwischen dem Laser und den Bauteilen übertragen wird, kann es zu Laserschäden kommen. Der Laserabsorptionsprozess optischer Komponenten ist komplex und eng mit Materialeigenschaften und Laserparametern verbunden. Es gibt hauptsächlich zwei Absorptionsmechanismen: Wärmeabsorption und nichtlineare Absorption. Die Dauer der Laserpulse ist der Hauptfaktor, der den Absorptionsmechanismus bestimmt. In Bezug auf die Wärmeabsorption erklärte das 1970 von Hopper RW und Uhlmann D R vorgeschlagene defektinduzierte Schadensmodell, dass verschiedene Defekte, die durch den Herstellungsprozess in transparenten Materialien eingeführt wurden, die Quelle von durch Wärmeabsorption verursachten Laserschäden sind. Die Fehlerkontrolle ist zum Schlüsselfaktor für die Verbesserung der Laserschadensbeständigkeit optischer Komponenten geworden, was die theoretische Grundlage für den Wärmeabsorptionsmechanismus bildet. Das durch Verunreinigungen induzierte Schadensmodell kann die Laserschadensschwelle von Materialien bewerten, und der durch Verunreinigungen verursachte Mechanismus der thermischen Plasmaexplosion bestimmt weitgehend die durch Wärmeabsorption induzierte Schadensgröße. Im Jahr 2010 haben Carr et al. schlugen das Absorptionswellenfrontmodell vor, um die Beziehung zwischen der durch Verunreinigungen verursachten Schadensgröße und den Laserparametern zu erklären. In Bezug auf den nichtlinearen Absorptionsmechanismus erklären das von Bloembergen N. vorgeschlagene Multiphotonen-Ionisationsmodell und die von Epifanov AS vorgeschlagene Avalanche-Ionisationstheorie, dass, wenn die Laserpulsdauer kurz genug ist, um die Übertragung von Laserenergie auf das Materialsystem durch thermische Absorption abzuschließen, die Der wichtigste physikalische Prozess der Ionisierung von Elektronen durch Photonen zur Metallisierung der transparenten Materialien ist zur theoretischen Grundlage für die durch Ultrakurzpulslaser induzierte Beschädigung optischer Materialien geworden. Photoionisation umfasst Mehrphotonen-Ionisation und Tunnel-Ionisation. Die Keldysh-Theorie wird am häufigsten in theoretischen Simulationen der Photoionisation verwendet, da sie die Absorptionsrate aller Ordnungen von Multiphotonen berechnen kann. Seine analytische Lösung kann die Multiphotonen-Ionisation leicht berechnen, und seine numerische Lösung ist genauer bei der Berechnung der Tunnelionisation. Die durch Photoionisation erzeugten freien Elektronen absorbieren weiterhin Laserenergie durch den umgekehrten Bremsstrahlungsmechanismus und kollidieren mit anderen Ionen. Daher wird allgemein angenommen, dass die Kombination der Keldysh-Theorie der Photoionisation und des Drude-Modells der Kollisionsionisation die Schadensschwelle von Materialien genauer vorhersagen kann.