衍射光学元件（DOE）的激光损伤阈值

衍射光学元件（DOE）的激光损伤阈值（LIDT/LDT）是指其在激光辐照下不发生永久性损伤的最高能量或功率密度，是评估其高功率适用性的核心参数。

衍射光学元件是在光学元件表面雕刻浮雕图案，使得入射激光束的相位发生改变以使出射光束在远场或透镜聚焦平面处产生期望的强度分布。二级的衍射光学元件的典型效率为75％，四级或更高级的设计，其效率高达95％。一般而言，使用的层次越多，效率越高，零级次越低。但是，级次越高的元件制造过程中会产生制约因素。

衍射光学元件可以分为两大类：光束整形和光束分束。

标准双光点（a）和高效双光点（b）的比较。

标准四光点（a）和高效四光点（b）的比较。

一、损伤机制与激光参数的关系

激光的波长、脉宽和重复频率直接影响损伤的物理过程：

1. 超短脉冲（<0.5 ns）：以介电击穿和雪崩电离为主，瞬时高场强导致材料离子化。

2. 纳秒脉冲（0.5–100 ns）：热效应与雪崩电离共同作用，能量累积引发局部熔融或裂纹。

3. 连续波（CW）：热效应主导，材料因持续升温发生化学降解或热应力断裂。

注：高重复频率脉冲（如800 kHz）可能叠加热效应，类似CW机制。

二、影响损伤阈值的关键因素

1、材料与工艺

• 基材选择：熔融石英（高光学质量、表面粗糙度20-10 Scratch-Dig）、硒化锌（ZnSe）、蓝宝石等高LIDT材料。

• 镀膜层：抗反射（AR）镀膜可降低表面反射，但镀膜污染或缺陷（如杂质）会显著降低LIDT。双面镀膜DOE的LIDT比未镀膜低<10%，差异有限    。

• 洁净制造：在无尘环境中生产，避免微缺陷（如划痕、颗粒）。

2、使用环境

• 热恢复周期、清洁方式（如溶剂选择）及机械应力均影响实际阈值。

三、典型DOE的损伤阈值数据

以下为实验测得的LIDT范围（因测试条件差异，数据仅供参考）：

• 脉宽越短，阈值通常越高（因能量沉积时间短）。

• 偏振态对LCPG的LIDT影响较小（左/右旋圆偏振阈值差<6%）。

• doi: 10.3788/HPLPB20122405.109

四、提升损伤阈值的技术途径

设计优化

• 减少衍射级次：如高效分束器（97%效率）通过子孔径设计降低杂散光5。

• 抑制零级衍射：采用三相位层级设计或添加微棱镜/透镜，减少未衍射能量导致的局部热点。

• 制造工艺改进

• 干法等离子蚀刻：精确控制微结构深度，减少公差累积（多级元件效率可达95%）。

• 随机阵列设计（RADA）：提升对准容差，避免二元光学元件的对称敏感性问题。

• 测试方法创新

• 局部通量映射技术：通过单次照射获取光斑非均匀分布下的损伤密度-通量关系，替代传统均匀光斑要求

五、测试方法与标准化

损伤判定：通过显微镜观察表面变色、裂纹或坑洞（如SEM图像显示LCPG损伤位于基底界面）。

测试流程：

• 阶梯式递增功率，每个点位照射30秒，间隔5秒

• 统计未损伤的最高功率与首次损伤功率，确定阈值范围。

挑战：破坏性测试无法预知单件元件的实际阈值，需依赖工艺一致性样本推断

结论

DOE的激光损伤阈值取决于材料特性（基材纯度、镀膜质量）、激光参数（脉宽、波长）及设计优化（结构抗热、杂散光抑制）。在定向能武器、工业加工等高功率场景中，优先选择熔融石英/硒化锌基材、AR镀膜及低零级设计的DOE，并结合非均匀光斑测试方法验证阈值。制造端需严格管控缺陷，用户端则需规范清洁与热管理流程以维持实际LIDT接近理论值。