Измерение порога оптического пробоя прозрачных диэлектриков под действием импульсов лазерного излучения

Измерение порога  
оптического пробоя  
прозрачных диэлектриков  
под действием импульсов  
лазерного излучения

Учебно-методическое пособие

Е.Ю. Локтионов, В.Д. Телех

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

2-е издание, исправленное 

УДК 621.375.826 
ББК 32.86-5 
 
Л73 

Издание доступно в электронном виде  
по адресу: http://ebooks.bmstu.press/catalog/101/book1980.html 

Факультет «Энергомашиностроение» 
Кафедра «Плазменные энергетические установки» 

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия 

Рецензент д-р физ.-мат. наук С.В. Рыжков 

 
Локтионов, Е. Ю. 
Л73   
Измерение порога оптического пробоя прозрачных диэлектриков 
под действием импульсов лазерного излучения :  
учебно-методическое пособие / Е. Ю. Локтионов, В. Д. Те-
лех. — 2-е изд., испр. — Москва : Издательство МГТУ  
им. Н. Э. Баумана, 2019. — 21, [3] с. : ил.  

ISBN 978-5-7038-5118-0 
Кратко рассмотрены основные механизмы разрушения прозрачных 
сред под действием импульсов лазерного излучения. Приведено описание 
методики экспериментального определения порога пробоя прозрачных диэлектриков.  

Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих дисциплины «Теория 
газоразрядных устройств», «Основы квантовой электроники и лазерной 
техники», «Промышленные лазерные установки», «Физико-технические 
основы лучевых технологий». 
 

 
УДК 621.375.826 
 
ББК 32.86-5 
 

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019, 
 
 
с изменениями 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-5118-0 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 

Предисловие 

При разработке и эксплуатации промышленных лазерных 
установок необходимо учитывать лучевые нагрузки, воздействующие 
на оптические элементы. Справочные данные о лучевой 
прочности и стойкости материалов могут быть использованы 
лишь как ориентировочные. Для обеспечения безотказной работы 
установок нужно иметь экспериментальные данные о допустимых 
нагрузках на используемые в них оптические элементы. Полученные 
в ходе выполнения данной лабораторной работы знания и 
умения являются базовыми как для диагностики режимов лазерного 
воздействия, так и для характеризации лучевой прочности и 
стойкости прозрачных сред в соответствии с Международным 
стандартом ISO 21254:2011. 
После освоения материала студент приобретет знания об основных 
механизмах формирования повреждений в объеме и на поверхности 
прозрачных диэлектриков под действием импульсов 
лазерного излучения; получит навыки самостоятельной работы с 
лабораторным и измерительным оборудованием; овладеет экспериментальной 
техникой определения порога оптического разрушения 
в объеме и на поверхности прозрачных диэлектриков. 
Цель и задачи работы — ознакомиться с формированием повреждений 
в объеме и на поверхности прозрачных диэлектриков 
под действием импульсов лазерного излучения и экспериментально 
определить значения порогов оптического разрушения в объеме 
и на поверхности прозрачных диэлектриков. 
Приборы и оборудование: твердотельный лазер Lotis TII LS-
2147, лазерный диод, исследуемый образец, фотодиоды, калориметр 
Ophir 30A-P-RP, цифровой запоминающий осциллограф Tek-
tronix TDS2024B, оптическая скамья, оптические элементы — 
фильтры, линзы, пластины.  

К работе на оборудовании и лабораторных установках допускаются 
студенты, ознакомившиеся с методическими указаниями к 
выполнению лабораторной работы, прошедшие инструктаж по 
технике безопасности, изучившие инструкцию и расписавшиеся в 
Журнале учета прохождения студентами инструктажа по технике 
безопасности. 
Правила техники безопасности приведены в приложении 1.   
Форма лабораторного протокола представлена в приложении 2.   

КРАТКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 

Определение лучевой прочности оптических элементов силовых 
лазерных установок, применяемых в различных технологических 
циклах и научных исследованиях, — одна из актуальных 
задач развития лазерной техники и лучевых технологий [1]. Исследование 
физических причин оптического разрушения широко-
зонных диэлектриков и лучевой прочности оптических материалов 
является актуальной задачей, особенно в связи с ростом 
удельной выходной мощности лазерных установок и повышением 
требований к их ресурсу. Лучевая прочность материалов зависит 
от их структуры, условий окружающей среды и характеристик 
лазерного излучения. К таким характеристикам относятся: 
длина волны , длительность импульса 0,5, диаметр пятна фокусировки 
d, частота следования импульсов f, полное время воздействия 
t, плотность мощности W или энергии E в зоне оптического 
воздействия. 
При любом уровне мощности и режиме работы лазера вероятность 
повреждения обычно выше для поверхности оптического 
элемента, чем для его объема. Таким образом, предельное значение 
интенсивности излучения для оптического элемента часто 
обусловлено порогом повреждения специального покрытия на его 
поверхности.  
Объемное повреждение наблюдается, если напряженность 
электрического поля в объеме оптического элемента увеличивается 
вследствие самофокусировки, интерференции, рассеяния или 
других эффектов. Кроме того, местные дефекты, такие как включения, 
дислокации, центры окраски или неоднородности, могут 
снизить предельную допустимую мощность в объеме прозрачного 
диэлектрика. Причинами повреждений, возникающих при воздействии 
однократным лазерным импульсом, часто являются дефекты 
или механические напряжения в покрытии, загрязнения поверхности 
или поглощение, которое приводит к катастрофическому 
нагреву поверхности. При многократном воздействии наблюдаются 
как врéменные повреждения, так и постоянные. 
Временные повреждения вызываются:  
• нагревом;  
• деформациями.  

Факторами, приводящими к постоянным повреждениям, являются:  
• 
старение;  
• образование микродефектов;  
• адсорбция влаги;  
• образование или миграция дефектов.  
Различают два вида оптического пробоя:  
• собственный; 
• несобственный.  
В первом случае имеют в виду пробой, инициируемый в кристаллической 
решетке и не связанный с наличием в материале 
дефектов, например, поглощающих неоднородностей. Механизмы 
собственного пробоя (лавинная или многофотонная ионизация 
и пороговое сужение запрещенной зоны диэлектрика) реализуются 
при острой фокусировке и интенсивностях излучения 
11
13
2
10 ...10  Вт/см . Острая фокусировка необходима для исключения 
влияния на развитие пробоя различного рода дефектов. 
Международный стандарт ISO 21254:2011 устанавливает следующие 
термины. 
Повреждение поверхности — любое постоянное лазерно-
индуцированное изменение характеристик поверхности образца, 
которое может наблюдаться в результате исследования с чувствительностью 
методов, соответствующей предполагаемым условиям 
использования продукта. Повреждение может возникнуть как на 
обращенной к излучению поверхности, так и на обратной. Пороги 
для этих поверхностей могут отличаться. Аналогичное определение 
дается для объемного повреждения поверхности.  
Порог повреждения — наибольшая величина плотности энергии 
или мощности лазерного излучения, для которой экстраполированная 
вероятность повреждения равна нулю. Пороги повреждения 
определяются двумя способами: 1) при однократном  
(1-on-1) и 2) при многократном (S-on-1) воздействии на одну и ту 
же область. Первым способом определяют лучевую прочность, а 
вторым — лучевую стойкость материала. 
Принято различать два вида порогов повреждения: 
• физический;  
• технический.  
Физическим порогом разрушения материала называют такую 
плотность энергии или мощности излучения, при которой проис-

ходят необратимые изменения оптических характеристик образца 
(пропускания, рассеяния, отражения) исследуемого материала. 
Изменение указанных характеристик является следствием разрушения, 
формирование которого сопровождается яркой вспышкой 
оптического излучения.  
Техническим порогом разрушения называют такую плотность 
энергии или мощности излучения, при которой нарушается работоспособность 
изделия, изготовленного из исследуемого материала, 
вследствие изменений его оптических характеристик, превышающих 
допустимые. 
При многократном воздействии на новые материалы или оптику 
для ответственных применений требуется большое количество 
измерений 
9
11
(10 ...10  имп.). Пороговую плотность энергии определяют 
в соответствии с некоторой вероятностью повреждения 
образца (обычно принимают 10, 50 или 90 %) при заданном числе 
воздействий. В остальных случаях используют менее трудоемкий 
экстраполяционный метод: по гистограмме числа воздействий с 
определенной плотностью энергии, требуемой для повреждения. 
В любом случае следует с максимальной подробностью фиксировать 
все условия и параметры воздействия, стараясь сохранять их 
максимально однородными в процессе измерений. 

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ  
УСТАНОВКИ 

Оптическая схема лабораторной установки представлена на 
рисунке. Энергия лазерного излучения может регулироваться дискретно, 
начиная с минимального значения, которое может существенно 
отличаться от нуля. Как правило, лазерные системы рассчитаны 
на стабильную работу при энергии излучения, близкой 
к максимальной.  
Для более плавного регулирования мощности выходного лазерного 
излучения при сохранении стабильности его параметров 
используют нейтральные светофильтры, устанавливаемые вблизи 
выходного отверстия лазера.  

Для контроля действующего значения энергии лазерного импульса 
служит фотодиод 10, на который кварцевой пластинкой 3 
отражается ~2 % излучения. Фотодиод 10 предварительно калибруется 
с использованием калориметра 5. 
Лазерное излучение фокусируют в объеме образца 7 фокусирующими 
линзами 4. Образец устанавливают под острым углом к 
оптической оси лазера для удобства реализации зондирующего 
плеча. Излучение диодного лазера 6 фокусируют в ту же область в 
объеме мишени, что и излучение твердотельного лазера 1. После 
прохождения через образец часть пучка вырезается диафрагмой 9 
и коллимируется следующей диафрагмой 9 перед попаданием на 
фотодиод 10. В случае повреждения образца зондирующее излучение 
начинает сильно рассеиваться, и сигнал фотодиода резко 
уменьшается. 

 

Оптическая схема лабораторной установки: 
1 — твердотельный лазер; 2 — светофильтр; 3 — кварцевая пластинка; 
4 — фокусирующие линзы; 5 — калориметр; 6 — диодный 
лазер; 7 — образец; 8 — ловушка излучения; 9 — диафрагмы; 
   
10 — фотодиоды; 11 — осциллограф 

 

ЗАДАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 

Задание. Экспериментально определить энергетический порог 
повреждения прозрачного образца. 
Перед включением лазерного излучения все находящиеся в помещении 
люди должны надеть соответствующие защитные очки 
(см. приложение 1)! Помните, что эти очки защищают глаза от отраженного 
и рассеянного, но не от прямого попадания лазерного 
излучения! 
Лабораторная работа состоит из нескольких этапов. 
Этап 1. Калибровка контрольного фотоприемника. 
Для определения энергии лазерного излучения, воздействующего 
на мишень, выполняют калибровку контрольного фотодиода 
10. Для этого энергию импульса излучения измеряют непосредственно 
с помощью преобразователя измерительного термоэлектрического 
лазерного излучения (калориметра 5), который 
устанавливается после фокусирующей линзы 4 (см. рисунок).  
Изменяя энергию лазерного излучения с шагом не более 5 % от 
максимального значения, осуществляют регистрацию показаний 
калориметра 5 и фотодиода 10. Полученные данные заносят в 
табл. П2.1 приложения 2, по ним строят калибровочную кривую и 
выполняют линейную интерполяцию [2]: 
,


E
A
BU  
где E — энергия лазерного излучения по показаниям калориметра 
5; U — максимальное значение сигнала фотодиода 10; A, B — 
константы. 
Константы А и В рассчитывают методом наименьших квадратов:  

  
1
1
1
2
2

1
1

,











 











n
n
n

i
i
i
i
i
i
i

n
n

i
i
i
i

n
EU
U
E
A

n
U
U

 
  

  
1
1
,







n
n

i
i
i
i

E
A
U
B
n
 
 

где n — количество точек в калибровочной кривой; Ei — значение 
энергии лазерного импульса; Ui — максимальное значение напряжения 
на осциллографе.  

Калибровочную зависимость считают действительной при отсутствии 
изменений положения элементов 1, 3, 6, 8, 10 измерительной 
установки и отключения питания элементов 1, 4, 7, 8, 10, а 
также изменении температуры воздуха в помещении не более 3 °С. 
После проведения калибровки калориметр 5 убирают из оптической 
схемы. 
Погрешность калибровочной кривой описывается коэффициентом 
детерминации  

  

*
2

2
1

2

1

(
)
,
(
)













n

i
i
n

i
i

E
E
R
E
E
 
  

где 
*
iE  — значение энергии, полученной из регрессионной зависимости; 
E  — среднее значение энергии; 
iE  — экспериментальное 
значение энергии.  
Этап 2. Определение порога повреждения. 
Образец 7 помещают в расчетную фокальную плоскость фокусирующих 
линз 4 (см. рисунок). Для уменьшения количества измерений 
порог повреждения определяют следующим способом: 
настраивают лазер и подбирают светофильтр таким образом, чтобы 
энергия излучения соответствовала примерно половине максимальной 
доступной; в случае отсутствия повреждения переходят к 
среднему значению большей половины диапазона, а при наличии 
повреждения — к среднему значению меньшей половины. Воздействие 
на образец осуществляют в режиме однократных импульсов, 
проводя регистрацию показаний фотодиода 10. Результаты измерений 
записывают в табл. П2.2 приложения 2. 
После каждого воздействия, независимо от того, привело ли 
оно к повреждению, образец перемещают вдоль плоскости фокусировки 
излучения на расстояние не менее трех расчетных диаметров 
пятна фокусировки излучения.  
Размер пятна фокусировки лазерного излучения рассчитывают 
по формуле дифракционного предела Рэлея для случая неидеальной 
оптики: 

  
1,22
,


F
r
D