Technikon: Zerstörschwellen

Oft wird die Zerstörschwelle einer Optik als maximale Energiedichte oder auch Fluenz angegeben, welche die Pulsenergie bezogen auf die Ausleuchtungsfläche des Lasers im Fokus bezieht. Wichtige Angaben sind dabei nicht nur der Wert der Zerstörschwelle selbst, sondern auch unter welchen Bedingungen diese gemessen wurde, also Pulsdauer, Pulswiederholungsrate und Wellenlänge.

Handelt es sich um cw (continuous-wave) Laser, macht eine Betrachtung der Pulsenergie keinen Sinn. Dafür gibt es eine Angabe über die Bestrahlungsstärke, welche die maximale Laserleistung pro Fläche (Einheit W/cm² oder W/mm²) beschreibt. Häufig ist auch eine Angabe über eine lineare Leistungsdichte zu sehen (Einheit W/cm oder W/mm). Ist die lineare Leistungsdichte des Lasers bekannt, entfällt so die Notwendigkeit den Strahldurchmesser bestimmen zu müssen.

Obwohl die Leistung auch als Laserpulsenergie geteilt durch die Pulsdauer bestimmt werden kann, ist eine solche Umrechnung für die Zerstörschwellenbetrachtung von Energiedichte zu Leistungsdichte nicht allgemein gültig. Grund dafür sind die unterschiedlichen Testbedingungen welche auch durch verschiedene Zerstörungsmechanismen zeigen.

Beschädigungen durch Laser hängen von sehr vielen Faktoren ab. Daher ist es nicht möglich eine einwandfreie Arbeitsleistung unter allen möglichen Gegebenheiten zu garantieren. In diesem Kapitel werden grobe Umrechnungen präsentiert. Um eine stabile und dauerhaft hohe Qualität der Optiken zu gewähren, wird empfohlen unter 50% der angegebenen Zerstörschwellen zu bleiben. Verwendung nahe der Schwelle kann durch kleinste Schwankungen oder ungünstige Bedingungen zu dauerhaften Beschädigungen führen.

Neben der Laserpulsenergie oder der Laserleistung, hängt die Zerstörschwelle auch von der Wellenlänge λ [nm], der Pulswiederholrate R [typ. Hz – MHz], der Pulsdauer τ [fs – ms], dem Strahldurchmesser dL [μm – cm] bzw. dem Laserstrahlquerschnitt A [μm² – cm²] und der Pulsform ab. Natürlich beziehen sich einige dieser Werte nur auf gepulste Laser. Für cw-Laser sind nur Wellenlänge, Strahlprofil und Laserstrahldurchmesser von Bedeutung.

In manchen der folgenden Abhängigkeiten werden Beispiele gegeben. Diese dazu gegebene Zerstörschwelle wird als 1J/cm² angenommen und wurde bei 1064nm mit einer Pulsdauer von 1ns und einer Wiederholrate von 50Hz gemessen.

Die häufigsten Zerstörungsmechanismen hängen sehr von den Eigenschaften des Lasers ab, aber auch von Glas und Beschichtungsmaterialien in Bezug auf geometrische Eigenschaften, Wärmeleitung, Absorption, Fehlstellen, Homogenität und vielem mehr.

Bei der Benutzung eines cw Lasers oder Lasern mit langen Pulsen (μs), dominiert die thermische Absorption als Zerstörungsmechanismus. Die Beschädigung basiert auf Erhitzung des Materials durch den Laser bis zu Schmelzpunkten, irreversible Ausdehnungen oder Materialmodifikationen. Dieser Zerstörungsmechanismus kann auch bei Kurzpulslasern mit hohen Pulsraten (quasi-cw Laser) auftreten, wenn dem Material nicht genug Zeit zum Abkühlen zwischen einzelnen Pulsen gegeben wird.

Im Fall von Kurzpulslasern tritt eine neue Art an Zerstörungsmechanismus auf: An lokalen Defekten oder kleinsten Materialeinschlüssen findet durch die schlechte Wärmeanbindung dieser Partikel eine lokale Plasmabildung statt. Diese führt zu stressbedingten Durchbrüchen und Beschädigungen.

Außerdem, unter Benutzung von Ultrakurzpulslasern, ist die Photonenrate so hoch, dass zusätzlich Mehrphotonenabsorption auftreten kann. Dabei werden die Beschichtungsmaterialien ionisiert und es führt zu Durchbrüchen ab einer kritischen Elektronendichte.

In der folgenden Tabelle stellen wir Messergebnisse zu Zerstörschwellen dar. Die Messungen fanden in einer sauberen Laborumgebung an mit Aceton gereinigten Proben statt. Auf Grund von Schwankungen bei Beschichtungsverfahren, der Geometrie der Optik und den speziellen Messbedingungen können die realen Zerstörschwellen deutlich kleiner sein. Eine typische Faustregel ist hierbei um einen Faktor von 5 bis 10. Die folgenden Angaben sind daher als Messergebnisse und nicht als Spezifikation zu verstehen. Im Zweifelsfall bitten wir Sie Rücksprache mit unserem erfahrenen Team zu halten, da wir sonst für den Schadensfall nicht aufkommen können.