Wie hoch sind die Zerstörschwellen optischer Filter für Dauerstrichlaser (CW) und gepulste Laser?

Die Laserzerstörschwellen (LDT) optischer Filter geben die maximale optische Leistung oder Energie an, der ein Filter standhalten kann, bevor seine Beschichtung oder sein Substrat beschädigt wird. Diese Schwellenwerte unterscheiden sich erheblich, je nachdem, ob der Laser im Dauerstrichbetrieb (CW) oder im Pulsbetrieb arbeitet, da sich die physikalischen Schadensmechanismen unterscheiden.

1. Zerstörschwelle bei Dauerstrichbetrieb (CW)

Im CW-Betrieb werden Schäden hauptsächlich durch thermische Effekte verursacht. Der Filter absorbiert einen kleinen Teil der Laserenergie, der sich als Wärme ansammelt. Kann die Wärme nicht schnell genug abgeführt werden, kann die Beschichtung reißen, schmelzen oder sich vom Substrat ablösen.

• Messgröße: Gemessen als Leistungsdichte (Linear: W/cm oder Fläche: W/cm ²).
• Typische Werte:
  • Weichbeschichtete/laminierte Filter: < 1 W/cm² (Sehr geringe Toleranz).
  • Hartbeschichtete (gesputterte) Filter: 10 W/cm² bis 100 W/cm².
  • Hochleistungsspiegel/dielektrische Schichtsysteme: > 1 kW/cm² (erfordert aktive Kühlung).

Hinweis: Die CW-Schadensschwelle hängt stark vom Strahldurchmesser ab. Ein kleinerer Strahlfleck führt selbst bei geringerer Gesamtleistung zu höheren lokalen Temperaturen.

2. Zerstörschwelle bei gepulstem Laserbetrieb

Schäden durch gepulste Laserstrahlung werden im Allgemeinen durch einen dielektrischen Durchbruch oder schnelle mechanische Belastungen (Stoßwellen) verursacht. Da die Energie innerhalb eines Nanosekundenfensters (10^-9) oder Femtosekundenfensters (10^-15) eingebracht wird, ist die Spitzenleistung hoch genug, um Elektronen direkt aus dem Material herauszulösen.

• Messgröße: Gemessen als Energiedichte (J/cm²).
• Typische Werte (bei 1064 nm, 10 ns Puls):
  • Standard-Bandpassfilter: 0.1 to 1 J/cm².
  • Dielektrische Hochleistungsfilter: 5 to 20 J/cm².

Skalierung mit der Pulsdauer

Die Schwelle (LDT) skaliert mit der Quadratwurzel der Pulsdauer (τ). Wenn die Schwelle bei 10 ns bekannt ist, lässt sie sich für eine andere Pulsdauer anhand der folgenden Beziehung abschätzen:

LDT2 = LDT1 * sqrt(tau2 / tau1)

In dieser Gleichung:

• LDT2 ist die unbekannte Zerstörschwelle für Ihre neue Pulsdauer.
• LDT1 ist die bekannte Zerstörschwelle (wird in der Regel vom Hersteller angegeben).
• tau2 ist die Pulsdauer Ihres Lasers.
• tau1 ist die für den Herstellertest verwendete Pulsdauer (häufig 10 ns).
• sqrt steht für die Quadratwurzel.

3. Zusammenfassung des Vergleichs

4. Faktoren, die Schwellenwerte beeinflussen

• Wellenlänge: Kürzere Wellenlängen (UV) weisen im Allgemeinen niedrigere Zerstörschwellen auf, da die Photonen mehr Energie tragen, was zu höherer Absorption und leichterer Ionisierung führt.
• Oberflächenreinheit: Staub, Fingerabdrücke oder Öle absorbieren Energie und wirken als „Hotspots“, sodass der Filter bereits deutlich unterhalb seiner Nennspezifikation ausfällt.
• Wiederholrate: Bei gepulsten Lasern mit hoher Wiederholrate (MHz-Bereich) hat der Filter zwischen den Pulsen möglicherweise nicht genügend Zeit zum Abkühlen, was zu einem hybriden „thermisch gepulsten“ Ausfall führen kann.