Seguimiento y comprensión de eventos de daños por láser en la óptica - Parte 01

En 1962, el científico estadounidense McClung FJ informó por primera vez que el espejo plateado del resonador láser de rubí tenía daños por quemado de orificios, que fue el primer informe público sobre el daño del láser en los componentes ópticos. La posterior invención de la tecnología de conmutación Q y la tecnología de bloqueo de modo aumentó la potencia máxima de los pulsos láser en varios órdenes de magnitud. El problema del daño por láser atraviesa y afecta el diseño y la operación de los láseres, y promueve el desarrollo de materiales ópticos y tecnologías de fabricación de componentes ópticos. En la década de 1960, la construcción de ingeniería de la fusión por confinamiento inercial láser propuesta por los Estados Unidos fue el punto de partida para la investigación sistemática sobre el daño por láser de los materiales ópticos como disciplina. Desde 1969, la Society of Photo-Optical Instrumentation Engineer (SPIE) ha establecido la conferencia anual sobre daños por láser en materiales ópticos, que es una importante plataforma para que científicos de todo el mundo intercambien los avances de la investigación científica en este campo. . Ha sido realizado cada año por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE. UU. durante más de 50 sesiones hasta el momento. Estos estudios han resuelto con éxito los diferentes problemas de daño por láser enfrentados en el proceso de construcción de una serie de grandes dispositivos láser desde Shiva, Nova, Beamlet hasta NIF.

Daño inducido por láser en  ventanas de DKDP Pockels cell-WISOPTIC

El problema central del daño por láser es el mecanismo de absorción de los componentes ópticos, es decir, de qué manera ya través de qué canales se transmite la energía del láser a los componentes ópticos. Solo cuando la energía se transfiere entre el láser y los componentes pueden ocurrir daños por láser. El proceso de absorción láser de los componentes ópticos es complejo y está estrechamente relacionado con las propiedades del material y los parámetros del láser. Existen principalmente dos mecanismos de absorción: absorción térmica y absorción no lineal. La duración de los pulsos de láser es el factor principal que determina el mecanismo de absorción. En términos de absorción de calor, en 1970, el modelo de daño inducido por defectos propuesto por Hopper RW y Uhlmann D R explicó que varios defectos introducidos por el proceso de fabricación en materiales transparentes son la fuente del daño láser inducido por la absorción de calor. El control de defectos se ha convertido en el factor clave para mejorar el rendimiento de los componentes ópticos contra daños por láser, lo que sienta las bases teóricas para el mecanismo de absorción de calor. El modelo de daño inducido por impurezas puede evaluar el umbral de daño por láser de los materiales, y el mecanismo de explosión térmica de plasma inducido por defectos de impurezas determina en gran medida el tamaño del daño inducido por la absorción térmica. En 2010, Carr et al. propuso el modelo de frente de onda de absorción para explicar la relación entre el tamaño del daño inducido por impurezas y los parámetros del láser. En términos del mecanismo de absorción no lineal, el modelo de ionización multifotónica propuesto por Bloembergen N y la teoría de ionización por avalancha propuesta por Epifanov AS explican que cuando la duración del pulso láser es lo suficientemente corta como para completar la transferencia de energía láser al sistema material a través de la absorción térmica, el El principal proceso físico de ionización de electrones por fotones para metalizar los materiales transparentes se ha convertido en la base teórica para el daño inducido por láser de pulso ultracorto a los materiales ópticos. La fotoionización incluye la ionización multifotónica y la ionización de efecto túnel. La teoría de Keldysh es la más utilizada en simulaciones teóricas de fotoionización porque puede calcular la tasa de absorción de todos los órdenes de multifotones. Su solución analítica puede calcular fácilmente la ionización multifotónica y su solución numérica es más precisa en el cálculo de la ionización de efecto túnel. Los electrones libres generados por la fotoionización continúan absorbiendo energía láser a través del mecanismo de Bremsstrahlung inverso y chocan con otros iones. Por lo tanto, generalmente se cree que la combinación de la teoría de Keldysh de fotoionización y el modelo de Drude de ionización por colisión puede predecir el umbral de daño de los materiales con mayor precisión.