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大功率、超快脈沖激光器越來越多地用于為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和成像、材料加工、工業(yè)微加工等提供光源。但許多激光護目鏡產(chǎn)品未經(jīng)超快激光測試，可能無法為依賴它們的技術(shù)工人提供足夠的保護。

造成這種情況的原因主要在于護目鏡制造商為確定產(chǎn)品規(guī)格而普遍采用的檢測程序與標(biāo)準(zhǔn)測量方法。這些方法使用的都是低功率連續(xù)光源，因此無法捕捉實際大功率脈沖激光工作條件下的許多潛在危險。此外，最終用戶在真正使用之前很少測試護目鏡在特定應(yīng)用條件下的性能。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的研究員Ted Heilweil在檢測光密度(OD)測試中所使用的泵浦激光器

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的科學(xué)家們最近發(fā)表了一項研究成果，對來自五個不同制造商的二十四種護目鏡的保護濾層樣品進行了測試。他們發(fā)現(xiàn)“針對超快激光，其中一些濾層沒問題，但是有些濾層的性能甚至都沒有達到它們自己的規(guī)格參數(shù)。”NIST研究員及論文共同作者Ted Heilweil說。

其中，某種濾層實際阻擋的光線只是其規(guī)格聲稱的光密度(指其阻擋光線的比例)的萬分之一。*還有一些濾層雖然能阻擋制造商們自己評定的特定波長的光線，但是對于相鄰波長的光線，反而會出現(xiàn)更多透光。

為什么會這樣?答案就在于超快脈沖激光器的性質(zhì)，那些持續(xù)發(fā)射以飛秒為單位的光脈沖(飛秒，十億分之一秒，10^-15秒)。大家對“連續(xù)波”激光器以及脈沖較長的脈沖激光器都比較熟悉，這類激光器的輸出光束僅在某一個中心波長附近的狹窄范圍內(nèi)變化。與之不同的是，高速激光脈沖的波長范圍要寬得多。如下圖所示，隨著脈沖時間縮短，波長范圍愈發(fā)變寬。

不像連續(xù)波激光器只產(chǎn)生一個非常窄的波長，超快脈沖激光爆發(fā)包含許多不同波長的光

然而，護目鏡制造商通常不會用超高速脈沖激光來測試他們的鏡片，也不會測量鏡片對于標(biāo)定波長附近的其它波長光線能阻擋多少。實際上，一些制造商在制定他們的規(guī)格參數(shù)時根本不使用激光，只是依靠測量能力有限的標(biāo)準(zhǔn)光譜儀。

因此，在得到NIST安全、健康與環(huán)境辦公室的支持后，研究人員開始研究護目鏡的濾層在阻隔飛秒脈沖光線時的表現(xiàn)。

此項研究共涉及24個塑料或玻璃濾層樣品，其中每一個樣品都被其制造商標(biāo)定為能阻擋800納米(十億分之一米，10^-9米)波長的光。NIST在測試這些樣品時使用的是一種普通超快鈦藍寶石激光器，中心波長為800納米(恰好低于人類視覺閾值的紅外光)，以每秒8000萬脈沖的速度運行，產(chǎn)生持續(xù)約40飛秒的脈沖。

很快，NIST研究團隊和馬里蘭州弗雷德里克胡德學(xué)院的合作者們就發(fā)現(xiàn)了“一些非常奇怪的事情”。正如所料，這些脈沖的波長范圍從750納米(可見紅色)到900納米(近紅外)不等。每種濾層對此范圍內(nèi)不同區(qū)域的反應(yīng)也不同。研究人員推測，一個可能的原因是，鏡片的吸光染料配方可能不同。

測量裝置：激光從左側(cè)依次通過各種濾片(綠色標(biāo)簽)、其他設(shè)備(藍色圓圈)后達到樣品，即玫瑰色眼鏡所在的位置。透過樣品的光由檢測器測量(圖中未顯示)

例如，某種濾層可以阻擋大部分800納米的光，但是對于847納米的光線，卻只能阻擋百分之一。當(dāng)中心波長僅改變1%時，許多濾層就不能符合它們自己的規(guī)格參數(shù)。一些鏡片在直接光照條件下，幾秒鐘內(nèi)就被損壞且程度不一，有些變得接近透明，有些變得完全不透明。不過有些濾層在整個波長范圍內(nèi)的表現(xiàn)都非常好。

Heilweil說，這項新研究“更像是一個啟動點。我們目前只專注研究了一種飛秒激光器，除此以外還有各種各樣的以及可協(xié)調(diào)的激光器。”

當(dāng)然，NIST開展的各種高精度測量并不是可以隨處布置使用的。對于激光護目鏡制造商來說，建立自己的飛秒激光測試設(shè)備是不切實際的，因為那需要覆蓋超快體系所有可能的輸出條件，因此，需要鼓勵制造商利用最好的測試實驗室資源來評估他們的鏡片。與此同時，也需要讓最終用戶更加了解他們所用的激光器產(chǎn)生的精確波長。他們應(yīng)該在佩戴護目鏡之前自己可以進行測試，看看他們的眼鏡是不是既滿足產(chǎn)品的規(guī)格條件，也滿足特定的應(yīng)用條件。

*NIST研究人員通常在不同的時間和不同的激光功率水平下對每個樣品的光密度進行重復(fù)測量。給定樣品的測量復(fù)現(xiàn)性為±20%以內(nèi)。光密度是一個對數(shù)值。光密度評級為3的樣品比評級為2的樣品多阻隔10倍的光亮。研究人員在不同頻率下測量的光密度，其變化程度在很多情況下都能達到100倍、1,000倍或甚至更大。