¿Cuáles son los umbrales de daño de los filtros ópticos para láseres de onda continua (CW) y pulsados?

Los umbrales de daño láser (LDT) de los filtros ópticos indican la máxima potencia o energía óptica que un filtro puede soportar antes de que falle su recubrimiento o sustrato. Estos umbrales varían considerablemente según si el láser funciona en modo de onda continua (CW) o pulsado, ya que cambian los mecanismos físicos del daño.

1. Umbral de daño con onda continua (CW)

En modo CW, el daño es principalmente térmico. El filtro absorbe una pequeña fracción de la energía del láser, que se acumula en forma de calor. Si el calor no puede disiparse con suficiente rapidez, el recubrimiento puede agrietarse, fundirse o desprenderse del sustrato.

• Métrica: Se mide como densidad de potencia (Lineal: W/cm o Área: W/cm ²).
• Valores típicos:
  • Filtros con recubrimiento blando/laminados: < 1 W/cm² (Tolerancia muy baja).
  • Filtros con revestimiento duro (pulverizado): 10 W/cm² a 100 W/cm².
  • Espejos de alta potencia/apilamientos dieléctricos: > 1 kW/cm² (requiere refrigeración activa).

Nota: El daño por CW depende en gran medida del diámetro del haz. Un tamaño de punto menor produce temperaturas locales más altas, incluso con una potencia total inferior.

2. Umbral de daño por láser pulsado

El daño por pulsos suele deberse a la ruptura dieléctrica o a esfuerzos mecánicos rápidos (ondas de choque). Como la energía se suministra en una ventana de nanosegundos (10^-9) o femtosegundos (10^-15), la potencia pico es lo bastante alta como para arrancar electrones directamente del material.

• Métrica: Se mide en densidad de energía (J/cm²).
• Valores típicos (a 1064 nm, pulso de 10 ns):
  • Filtros de paso de banda estándar: 0.1 to 1 J/cm².
  • Filtros dieléctricos de alta potencia: 5 to 20 J/cm².

Escalado con la duración del pulso

El umbral (LDT) varía con la raíz cuadrada de la duración del pulso (τ). Si se conoce el umbral a 10 ns, puede estimarse para una duración de pulso diferente mediante la siguiente relación:

LDT2 = LDT1 * sqrt(tau2 / tau1)

En esta ecuación:

• LDT2 es el umbral de daño desconocido para la nueva duración del pulso.
• LDT1 es el umbral de daño conocido (normalmente proporcionado por el fabricante).
• tau2 es la duración del pulso de su láser.
• tau1 es la duración del pulso utilizada en la prueba del fabricante (a menudo 10 ns).
• sqrt representa la raíz cuadrada.

3. Resumen comparativo

4. Factores que afectan a los umbrales

• Longitud de onda: Las longitudes de onda más cortas (UV) suelen tener umbrales de daño más bajos porque los fotones transportan más energía, lo que provoca una mayor absorción y facilita la ionización.
• Limpieza de la superficie: El polvo, las huellas dactilares o los aceites absorben energía y actúan como «puntos calientes», lo que provoca que el filtro falle muy por debajo de su especificación nominal.
• Tasa de repetición: En láseres pulsados con alta tasa de repetición (rango de MHz), es posible que el filtro no tenga tiempo de enfriarse entre pulsos, lo que provoca un fallo híbrido «térmico-pulsado».