レーザー耐力評価試験

 

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 レーザー装置の利用可能なエネルギーは、使用される光学部品がレーザー光に対して損傷を起こさないエネルギー強度、 “レーザー損傷閾値(DT:Damage Threshold)” で決定されます。このDTを基準として、 レーザー装置の出力エネルギーを制限しなければなりません。
 レーザー技術総合研究所では、永年、大阪大学レーザーエネルギー学研究センターと共同で、大出力レーザーの開発、 それに使用される光学素子の開発を行ってきました。
 そこで培われた光学素子のレーザー損傷の評価技術を広くメーカー、ユーザーの皆様に提供します。

 

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 基本的な損傷閾値の評価方法に、1ヶ所に1回 (1パルス) 照射を行い、場所、照射エネルギーを変えて繰り返し試験をする方法、 1-on-1 があります。
   Nd:YAGレーザー発振器(波長1064nm、パルス幅10ns)から出力されたレーザーパルスは、増幅器ユニット内でパルス幅を調整された後、 YAG増幅器1台で増幅されます。その後、レーザーパルスは長焦点レンズで試料上に集光され損傷を評価します。 試料上の照射強度は、ビームの一部を取り出し、エネルギーメータと試料上のビームをイメージしたCCDカメラにて測定します。

 
評価系配置図
Fig. 1 Laser-induced damage facility
 

 レーザー照射前後に試料表面を観察することにより損傷の有無が確認され、Fig. 2のように、 照射強度に対して損傷・非損傷がプロットできます。最終的に、レーザー損傷閾値は、赤線のように、 確実に損傷が発生しない最大照射強度として定義されます。
 試料上のビーム強度分布はガウス分布であり、損傷閾値付近における損傷はガウス分布の中心(尖頭値)で発生するため、 ここで、エネルギー密度Fは、1/e2のビームサイズで定義される平均エネルギー密度の 2倍として表されます。

 
評価例
Fig. 2 Result of 1-on-1 laser-induced damage test
 

F=2P/S   ここで、P:照射エネルギー S:1/e2ビーム面積


その他の損傷試験

 1-on-1照射試験以外に、
◇ 1ヵ所に特定の回数照射を行い損傷を確認する  S-on-1
◇ レーザーコンディショニング効果を評価する  N-on-1(またはR-on-1)

なども国際的に使用されています。
 更には、長時間の照射に対する透過率や反射率の変化を測定し、劣化や寿命を評価することも行っています。 Fig. 3は繰返し100Hzのレーザーパルスを約1時間照射した時の試料の反射率の変化を示したものです。 1-on-1照射試験で得られた損傷閾値の80%の照射強度では、損傷は発生しないが光学特性が変化することが確認できます。

 
光学素子の劣化測定例
Fig. 3 Reflection for laser irradiation (100Hz)
 


レーザー損傷形状

 御要望にお答えし、光学顕微鏡や、原子間力顕微鏡による損傷形状の測定も開始しました。お問い合せ下さい。

 
原子間力顕微鏡による計測例
Fig. 4 Example of mesasurement by AFM. (a) Physiognomy (b) Profile of the depth
 


評価装置一覧

 
Wave length (nm)Pulse width (ns) Max freq. (Hz)Irr. size (mm)Power / Energy
Single mode *1ω 106410Single 0.5330 mJ
5327 0.3235 mJ
3556 0.323 mJ
Rep. pulse *2ω 10643.5100 125 W
5323 0.510 W
3553 0.57 W
CW *3ω 1064CW
5000
0.78 W
532 0.111.32 mW
UV *4ArF 19350
Multi mode
80 1.480 mW
KrF248130 mW

*1 Nd:YAGレーザー *2 繰り返しNd:YAGレーザー *3 連続発振Nd:YAGレーザー *4 エキシマレーザー



評価方法一覧

 
Test特徴主な用途
1-on-1 1ヵ所に1回照射を行い損傷の有無に関わらず場所を変え試験を繰り返す。 損傷閾値測定
S-on-1 1ヶ所に特定回数照射を行い損傷を確認し移動する。 実際に使用される状況下に近い損傷閾値測定
N-on-1 1ヶ所に損傷が生じるまで断続的に照射強度を上げ、照射毎に損傷の有無を確認する。 レーザーコンディショニング効果の評価

 

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