L’importance du diamètre du faisceau pour le seuil de dommage laser

Ceci est la Section 15.7 du Guide de Ressources en Optique Laser.

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Le diamètre d'un laser affecte fortement le seuil de dommage induits par le laser (LIDT) d'un composant optique, car le diamètre du faisceau influence directement la probabilité qu’un endommagement induit par le laser se produise.¹ Lorsque la taille du faisceau d'un laser utilisé pour les tests LIDT est sensiblement plus grande que la densité des défauts sur l'optique, la probabilité de déclencher des mécanismes d’endommagements rares est plus élevée – mais ces événements peu probables sont détectables. Si la taille du faisceau est trop petite, les faibles densités de défauts ne sont pas toujours détectables et les pièces semblent plus résistantes aux dommages qu'elles ne le sont en réalité (figure 1).

Figure 1: Small diameter beams are less likely to overlap with low density defects on an optic undergoing testing, resulting in overly optimistic LIDT values

Figure 1 : Les faisceaux de petit diamètre sont moins susceptibles de se chevaucher avec des défauts de faible densité sur une optique en cours de test, ce qui se traduit par des valeurs LIDT trop optimistes.

Le diamètre de faisceau le plus petit autorisé pour les essais LIDT dans la norme ISO 21254 est de 0,2 mm. De nombreux fournisseurs d'optiques laser préfèrent utiliser un faisceau aussi petit que possible car il est plus facile d'obtenir une fluence élevée, bien que cela puisse entraîner un « sous-échantillonnage » de la surface. La figure 2 montre comment les dommages causés par le laser s'échelonnent avec le diamètre d'un faisceau. Dans le scénario présenté, un grand nombre de défauts ont une fluence seuil de 10J et un petit nombre ont une fluence seuil de 1J. Ce modèle simplifié donne un aperçu de l'utilisation réelle, car les composants optiques laser contiennent généralement divers types de défauts avec des densités et des seuils de dommages individuels différents. La mise à l'échelle du diamètre du faisceau de 0,2 mm à 10 mm modifiera radicalement la fonction de probabilité de dommages et donc la valeur du LIDT dérivée du test. Avec un faisceau de 0,2 mm, la probabilité de détecter l'un des défauts avec un seuil de 1J est faible. Pour cette raison, la probabilité de dommages restera très faible jusqu'à ce qu'une fluence de 10J soit atteinte. L'augmentation de la taille du faisceau de 0,2 mm à 2 mm augmente la probabilité de détecter des défauts avec un seuil de 1J, ce qui entraîne une forte augmentation de la probabilité de dommages à une fluence de 1J. Lorsque le diamètre du faisceau est porté à 10 mm, la probabilité de dommages à 1J augmente jusqu'à une probabilité de dommages presque certaine.

Figure 2: In this example with 2 different defect types, LIDT drops by a factor of 10 when scaling the beam size from 0.2mm to 10mm

Figure 2 : Dans cet exemple avec 2 types de défauts différents, le LIDT chute d'un facteur 10 lors de la mise à l'échelle de la taille du faisceau de 0,2 mm à 10 mm.

Alors que le LIDT s'adapte aux changements de longueur d'onde et de durée d'impulsion, il s'adapte également au diamètre du faisceau. Pour de petites variations du diamètre du faisceau, cette mise à l'échelle peut être approchée en multipliant la valeur originale du LIDT par le carré du rapport entre le diamètre original et le nouveau diamètre.¹

(1)$$ \text{LIDT} \! \left( \lambda_2 , \tau_2 , ∅_{2} \right) = \text{LIDT} \! \left( \lambda_1 , \tau_1 , ∅_{1} \right) \times \left( \frac{\lambda_2}{\lambda_1} \right) \times \sqrt{\frac{\tau_2}{\tau_1}} \times \left( \frac{∅_1}{∅_2} \right) ^2 $$

Equation 1 approximates the shift of an LIDT at an initial wavelength (λ₁), pulse duration (τ₁), and beam diameter (∅₁) to a new wavelength (λ₂), pulse duration (τ₂), and beam diameter (∅₁). Our Laser Induced Damage Threshold Scaling Calculator provides approximations for scaling an LIDT value for small shifts in beam diameter and the other application conditions.

Références

L. Gallais, J. Capoulade, J.-Y. Natoli and M. Commandré, "Investigation of nanodefect properties in optical coatings by coupling measured and simulated laser damage statistics," J. Appl. Phys, vol. 104, p. 053120, 2008.

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