Comprendre et Spécificier le LIDT des Composants Laser

Le Seuil de Dommage Laser (Laser Induced Damage Threshold ou LIDT) est un paramètre indispensable dans la sélection ou la spécification d’un laser optique. La sous-estimation d’un LIDT peut entraîner une défaillance catastrophique des composants et risque de compromettre la performance d’équipement indispensable. Mais surestimer la spécification d’un LIDT peut toutefois entraîner des dépenses inutiles pour votre appareil ou votre application, et risque de compromettre les contraintes budgétaires et la rentabilité de l’appareil. Ce guide vous aidera à bien comprendre le LIDT, les paramètres qui l’affectent et comment le définir correctement pour vous assurer un avantage concurrentiel.

Comprendre le LIDT

Le Seuil de Dommage Laser (Laser Induced Damage Threshold, LIDT, ou encore Laser Damage Threshold, LDT) est défini dans la norme ISO comme la « plus grande quantité d’incidence de rayonnement laser sur le composant optique pour lequel la probabilité extrapolée d’endommagement est nulle » (ISO 21254-1:2011). L’objectif de cette définition est de spécifier la fluence laser maximale (pour des lasers pulsés, généralement en J/cm²) ou l’intensité laser maximale (pour les lasers à onde continue, généralement en W/cm²) qu’une optique laser peut endurer avant d’être endommagée. En raison de la nature statique des dommages induits par laser et des hypothèses qui sous-tendent l’extrapolation, le LIDT ne peut malheureusement pas être considéré comme la valeur au-dessous de laquelle aucun dommage ne se produira jamais. Une mauvaise compréhension du LIDT peut entraîner des coûts significativement plus élevés que nécessaire ou pire, à des échecs de traitement lors d'une application. Lorsqu’il s’agit de lasers haute puissance, le LIDT est une spécification importante pour tous types d’optiques laser, notamment les composants réfléchissants, transmissifs et de modelage de faisceau.

Figure 1 : Les dommages induits par laser dans les traitements optiques peuvent entraîner une dégradation de la performance et même une défaillance catastrophique. La raison principale de ces dommages crée différentes formes de dommages, et comprendre ces morphologies est importante pour l’évolution des traitements et des processus. Comprendre ce phénomène est impératif, dans la mesure où une surestimation déterminera les coûts et les dommages déterioreront la performance du système.

Gagnez du Temps en Spécifiant le LIDT Correctement

La spécification d’un LIDT ne doit pas être un processus itératif. Lorsque les paramètres suivants sont bien compris et correctement spécifiés, les retouches et les modifications sont éliminées, ce qui permet d’économiser du temps et de l’argent. Pour spécifier correctement un LIDT, les paramètres suivants sont requis :

• Mode de faisceau : les modes axiaux et/ou transversaux du faisceau laser utilisé pour effectuer le test
• Longueur d’onde
• Durée d'impulsion (ne s’applique pas aux lasers à émission continue)
• Taux de Répétition (ne s’applique pas aux lasers à émission continue)
• Profil de Faisceau : le profil de faisceau sur l’optique testé, le plus souvent gaussien ou top-hat
• Diamètre du spot : la taille du spot sur la surface optique. Cela affecte la façon dont la distribution des défaillances influence la valeur et est une valeur importante à spécifier. Il est recommandé de conserver cette valeur à 0,5 mm ou plus pour éviter des effets de taille de spots importants sur le LIDT, mais 0,2 mm est la taille minimale admissible
• Angle d’Incidence
• Polarisation du faisceau laser
• Type de test : 1-sur-1, où chaque spot est exposé à une pulsion unique ou S-sur-1 où chaque spot est exposé à S pulsions

Figure 2 : Des tests LIDT type à 1064 nm montrent les différentes fluences utilisées lors des tests S-sur-1 et la fréquence des dommages qui en résulte. Ici, le seuil d’endommagement d’un miroir laser est de 7,5 J/cm² avec une pente nette et relativement raide.

Choisir une Optique Basée sur un LIDT en respectant votre Budget

Calculer le LIDT devant être spécifié sur le plan mécanique du composant ou la valeur LIDT minimale que doit respecter votre composant est un processus relativement simple. Tout d’abord, calculez la fluence maximale ou l’intensité de votre faisceau laser à l’endroit ou le faisceau rencontrera la surface optique, en veillant à tenir compte de votre profil de faisceau. Vérifiez ensuite s'il y a des réflexions potentielles ou des réflexions fantômes générées par d’autres surfaces dans le système. Même s’il s’agit de réflexions provenant de surfaces traitées anti-reflet, lorsqu’elles sont focalisées, elles peuvent être plus intenses que le faisceau incident initial. Le résultat détermine la fluence maximale que toute surface optique rencontre.

L’ajout d’un facteur de sécurité pour les zones à risque ou profils potentiels et des anomalies temporelles dans votre faisceau est la prochaine étape importante. La dimension de ce facteur dépend du type, de la stabilité et de l’alignement de votre laser. Enfin, comme les dommages induits par laser sont de nature statistique et que ce caractère probabiliste n’est pas intégré dans la définition de l’ISO LIDT, considérez un facteur de sécurité supplémentaire basé sur la tolérance au risque de vos applications. Toute valeur LIDT sur un composant optique plus grande que le produit des facteurs de fluence et de sécurité laser répondra à vos besoins. Spécifier un LIDT encore plus élevé ne fera qu’ajouter des frais. Rappelez-vous : vous ne devriez pas avoir besoin d’ajouter un facteur de sécurité en raison des composants de votre fabricant qui ne répondent pas à leurs spécifications LIDT. Les fabricants d’optique laser aguerris devraient toujours respecter leurs LIDT donnés sur tous les composants.

Fabrication et Coûts du LIDT

La fabrication d’optiques qui répondent systématiquement à un LIDT spécifique nécessite un niveau d’attention supplémentaire lors de la conception et la fabrication par rapport aux optiques pour des applications d’imagerie ou autres.

La première étape consiste à s’assurer que les traitements et assemblages sont conçus de manière optimale pour les puissances laser requises. Cette mesure requiert non seulement l’analyse de distributions des champs électriques dans les traitements et l'ajustement de la conception du traitement si nécessaire, mais aussi l’analyse des réflexions fantôme potentielles et l’ajustement des conceptions optiques dans les assemblages.

Lorsqu’il s'agit de la fabrication, la propreté est primordiale. De l'envrionnement de fabrication à la pureté des matériaux des traitements, il est essentiel de garantir la propreté. Les optiques et traitements convenant aux applications de faible puissance peuvent être inadéquats pour des applications de forte puissance en raison de contaminations qui n’affectent pas la performance à de faibles puissances.

De même, certains paramètres de processus qui ne sont pas très importants pour les applications de faible puissance deviennent pertinents, tels que la rugosité des surfaces polies.

Conformément à la norme ISO 21254, les fabricants d’optiques devraient être en mesure de présenter sur demande des comptes rendus de tests provenant d’instituts de tests reconnus. Ceci permet de démontrer la vérification de la performance des optiques traitées. Des comptes rendus de tests mulitples témoignent d’une performance reproductible et fiable.

Évitez la Mise à Échelle du LIDT

La Mise à Échelle du LIDT est un sujet controversé avec de nombreuses approches différentes. Bien que certaines lois de mise à l’échelle s’appliquent à certains matériaux spécifiques et aux conditions de mesure du LIDT, il n’existe pas de formule générale de mise à l’échelle du LIDT basée sur des données expérimentales, et pouvant être utilisée pour déterminer rigoureusement un nouveau LIDT sur une large gamme de longueurs d’onde, une durée d'impulsion ou une taille de spot, sans une nouvelle mesure de LIDT. Cependant, pour de très petites variations au niveau des longueurs d’onde, des durées d'impulsion ou des tailles de spot, une mise à l’échelle du LIDT est très souvent supposée raisonnable, en utilisant la racine carrée de la durée d'impulsion et une échelle linéaire selon la longueur d’onde. Si la longueur d’onde et/ou la durée d'impulsion de votre application ne sont pas proches de la valeur du LIDT spécifiée, évitez la mise à l'échelle et la conversion. Les tests doivent être effectués à la durée d'impulsion et à la longueur d’onde correctes afin de garantir leur compatibilité avec votre application.

La Compréhension du LIDT Conduit à des Spécifications Précises

Le LIDT est un paramètre important qui permet de spécifier et choisir des optiques laser. Avec une compréhension totale du LIDT, sa spécification devrait être relativement simple. La connaissance de la fluence ou de l’intensité maximales de votre faisceau laser sur l’optique, en tenant compte de toutes les considérations de profil et de hot spot, vous donne le LIDT requis. Un LIDT spécifié à cette valeur ou plus aux paramètres de faisceau correspondant à votre application, procurera une optique répondant à vos besoins. La valeur spécifiée d’un LIDT supérieure à cette valeur augmentera le prix et ne devrait pas être nécessaire pour un fabricant d’optique laser expérimentés, car il doit toujours respecter les valeurs du LIDT sur tous les composants.

Références

• ISO 21254-1:2011 – Lasers and laser-related equipment
• “Laser-induced damage thresholds of bulk and coating optical materials at 1030 nm, 500 fs”, Laurent Gallais and Mireille Commande, Appl. Opt. 53, A186-A196 (2014)
• "Fundamental mechanisms of laser-induced damage in optical materials: today’s state of understanding and problems," Alexander A. Manenkov, Opt. Eng. 53(1) 010901 (9 January 2014)
• "Experimental demonstration of laser damage caused by interface coupling effects of substrate surface and coating layers," Yingjie Chai et al., Opt. Lett. 40, 3731-3734 (2015)
• "Influence of the beam-focus size on femtosecond laser-induced damage threshold in fused silica," N. Sanner et al., Proc. SPIE 6881, Commercial and Biomedical Applications of Ultrafast Lasers VIII, 68810W (20 February 2008)
• "Pulse-shape and pulse-length scaling of ns pulse laser damage threshold due to rate limiting by thermal conduction," Michael D. Feit et al. , Proc. SPIE 3244, Laser-Induced Damage in Optical Materials: 1997, (20 April 1998)

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