Óptica no-lineal

DAÑO CON LASER EN MATERIALES OPTICOS.

Oscar Javier Zapata Nava

Objetivo

Se explicaran algunos de los mecanismos que producen daño en materiales ópticos

Introducción

Cuando un haz de luz de una intensidad considerable ilumina un medio transparente se pueden observar efectos tales como distorsión, expansión, transmitancia no-lineal, efectos electro-ópticos, generación de segundo armónico, autoenfocamiento, etc. Cuando la intensidad del haz se incrementa, estos fenómenos pueden provocar cambios no reversibles en el material, tales como fundiciones, rupturas y poros los cuales se forman al evaporarse el material.

. El daño puede correlacionar con: Densidad de potencia pico (espacial y temporal)

en el pulso del láser. Densidad de energía máxima (espacial) del

pulso del láser. Densidad de energía promedio en el pico del

pulso. Densidad de energía total o la densidad de

potencia promedio en un tren de pulsos. Densidad de potencia de onda continua

(energía en un tiempo dado).

Mecanismos de daño

Ruptura dieléctrica Absorción térmica Tiempo de daño

Ruptura dieléctrica

Efectos en volúmenes Efectos en superficies Aumento por rayas Auto-enfocamiento

Efectos en volúmenes La relación entre la intensidad de ruptura electrica y el umbral de daño inducido con láser (LIDT) es:

donde VB es la intensidad de ruptura dieléctrica

Z1 y Z0 son las impedancias del dieléctrico y del espacio libre respectivamente

n es el índice de refracción y

donde Ep es la energia total en el pulso, A es el parametro de area y es el ancho de pulso equivalente

0

2

1

2

Z

nV

Z

VP BBD

A

EP pD

Daño con laser en cristal KDP

Efectos en superficies

Para una muestra perfecta, con indice de refraccion n, la relacion entre la entrada y la salida del campo electrico en la superficie es:

22

1

4

nn

Daño en la superficie trasera

Por encima de la densidad potencia critica, el plasma absorbe la energía y muy poca es transmitida

Aumento por rayas

El campo electrico aumenta debido a rupturas (grietas), surcos y poros en el material.

Auto-enfocamiento

El auto-enfocamiento, ocurre en materiales debido a cambios en el índice de refracción con la temperatura el cual esta dado por la ecuación:

Alternativamente n puede ser expresada como:

donde n es convencionalmente definido como el cambio de indice refractivo (RI) con la temperatura, PD es la densidad de potencia del haz laser, es la longitud del pulso del laser, es el coeficiente de absorcion, es la densidad, C es el calor especifico y nT es la energia dependiente del factor RI.

dTdT

d

d

n

T

nn

pTDTD EnPnC

Pnnnn

La distancia focal puede ser calculada como:

y la potencia del haz necesaria para enfocarlo a la longitud de fresnel es Pc, donde

DTfoc Pn

nrZ

2

2

T

c n

nP

32

22.1 2

Tomando un ejemplo típico:

nT=10-9

=1.06m

n=1.5

Ep=Pc =2J

Por lo tanto

Pc =108 para =20 ns

Pc =106 para =2 s

T

c n

nP

32

22.1 2

Absorción térmica

Absorción de volumen

Absorción de superficie

Tiempo de daño

Daño a fotodetectores

Referencias

Laser damage in optical materials Roger M. Wood

ARTICLES Laser induced damage N. Barakat Laser induced bulk damage Nobu Kuzzu