定义
一种火花，由强激光引发
从电气工程中得知，对于绝缘介质（例如空气或玻璃）中足够高的电场强度，可能会发生击穿。 这意味着有一种火花，介质变得导电。 这种效应背后的机制是基于自由电子加速到高能量，因此与其他原子或分子的碰撞会导致二次自由载流子。 这开始了一个雪崩过程，在此期间，可以在短时间内建立可观密度的自由载体。 形成等离子体，其具有显着的导电性。 等离子体可以通过进一步的电流来维持，从而产生额外的自由载流子。
空气和其他透明介质（电介质）中的击穿也可以由强光引发，即频率为数百太赫兹的电磁波。 所需的高光强度可以在光脉冲中达到，例如在调Q激光器（具有纳秒持续时间）或锁模激光器中产生，并在再生放大器中放大（脉冲持续时间为皮秒或飞秒）。 光学击穿所需的强度取决于脉冲持续时间。 例如，对于 1 ps 脉冲，光强度为2 × 1013 W/cm2 在常压下在空气中分解是必需的。 阈值强度通常与脉冲持续时间的平方根成反比[5]。
有趣的是，如果气压增加，激光诱导击穿在较低强度水平下是可能的。 对于电弧，则需要更高的电压。 这在发动机激光点火的情况下很重要，因为燃料-空气混合物会产生很大的压力。
在固体介质中，分解会导致材料性能的改变、材料损坏甚至完全材料去除（激光烧蚀）。 例如，在激光加工中可以利用这一点（见下文）。
物理机制
光脉冲击穿背后的详细机制与静电场的机制不同，并且还取决于脉冲持续时间。 特别是对于飞秒脉冲，多光子电离可以在脉冲的初始阶段有效地产生自由载流子，然后被产生的等离子体强烈吸收，从而导致进一步的加热和电离[2，3]。 对于长脉冲，多光子电离不太重要，并且击穿主要从脉冲之前已经存在的少数载流子开始，或者在晶体缺陷处容易产生。 这种载流子的随机出现使得在较长脉冲状态下的光学击穿确定性降低，而飞秒脉冲的击穿阈值可以很好地定义。
激光加工中的细分
空气中的光学击穿可能对激光加工（例如用激光钻孔）构成严重的问题，因为它不仅在光束到达目标之前从光束中提取能量，而且还倾向于使光束散焦，其结果是所实现的孔或切割的质量可能会严重下降。 这种情况尤其发生在远低于1 ps的脉冲持续时间上，即使焦点在目标上方，也很容易在目标上方发生击穿，因此光学强度高于目标。 由于等离子体中的非线性频率转换，可以发生彩色环状结构；这种现象称为锥形发射。
虽然空气中的光学击穿通常是不希望的，但透明介质（如玻璃或聚合物）中的击穿可用于激光加工。 在那里，分解可以通过各种效果改变材料结构，从而改变折射率或透明度。 当使用超短脉冲（通常持续时间低于1 ps）和强聚焦激光束时，可以在透明介质内产生相当小的结构（有时尺寸低于1μm），其中仅在焦点中强度足以改变材料，而工件的其他部分不受影响。 当焦点在透明介质内移动时，可以创建波导。 例如，该技术可用于制造光子集成电路。 如上所述，使用非常短的脉冲是必不可少的，因为只有这样，过程才是确定性的。
在激光光谱学中的应用
还有一种称为激光诱导击穿光谱（LIBS）的技术[14]，其中激光脉冲用于在某些测试对象的表面产生热等离子体，并且对等离子体发出的光的光谱研究用于确定样品中存在哪些化学元素。 目前正在开发这种技术，例如用于火星探测，其中激光诱导击穿光谱学应允许从机器人车辆在几米的距离内快速分析火星岩石的成分。
参考文献
[1] C. DeMichelis, “Laser induced gas breakdown: A bibliographical review”, IEEE J. Quantum Electron. 5 (4), 188 (1969), doi:10.1109/JQE.1969.1075758
[2] N. Bloembergen, “Laser-induced electric breakdown in solids”, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron. 10, 375 (1974), doi:10.1109/JQE.1974.1068132
[3] D. Du et al., “Laser-induced breakdown by impact ionization in SiO2 with pulse widths from 7 ns to 150 fs”, Appl. Phys. Lett. 64, 3071 (1994), doi:10.1063/1.111350
[4] B. C. Stuart et al., “Laser-induced damage in dielectrics with nanosecond to sub-picosecond pulses”, Phys. Rev. Lett. 74 (12), 2248 (1995), doi:10.1103/PhysRevLett.74.2248
[5] M. H. Niemz, “Threshold dependence of laser-induced optical breakdown on pulse duration”, Appl. Phys. Lett. 66, 1181 (1995), doi:10.1063/1.113850
[6] B. C. Stuart et al., “Nanosecond-to-femtosecond laser-induced breakdown in dielectrics”, Phys. Rev. B 53, 1749 (1996), doi:10.1103/PhysRevB.53.1749
[7] N. Bloembergen, “A brief history of light breakdown”, J. Nonlinear Opt. Phys. 6, 377 (1997), doi:10.1142/S0218863597000289
[8] C. B. Schaffer, A. Brodeur and E. Mazur, “Laser-induced breakdown and damage in bulk transparent materials induced by tightly-focused femtosecond laser pulses”, Meas. Sci. Technol. 12 (11), 1784 (2001)
[9] C. B. Schaffer et al., “Dynamics of femtosecond laser-induced breakdown in water from femtoseconds to microseconds”, Opt. Express 10 (3), 196 (2002), doi:10.1364/OE.10.000196
[10] A. P. Joglekar et al., “A study of the deterministic character of optical damage by femtosecond laser pulses and applications to nanomachining”, Appl. Phys. B 77, 25 (2003), doi:10.1007/s00340-003-1246-z
[11] A. V. Smith and B. T. Do, “Bulk and surface laser damage of silica by picosecond and nanosecond pulses at 1064 nm”, Appl. Opt. 47 (26), 4812 (2008), doi:10.1364/AO.47.004812
[12] D. J. Little et al., “Femtosecond laser modification of fused silica: the effect of writing polarization on Si-O ring structure”, Opt. Express 16 (24), 20029 (2008), doi:10.1364/OE.16.020029
[13] H. H. Lim and T. Taira, “Sub-nanosecond laser induced air-breakdown with giant-pulse duration tuned Nd:YAG ceramic micro-laser by cavity-length control”, Opt. Express 25 (6), 6302 (2017), doi:10.1364/OE.25.006302
[14] D. A. Cremers and L. J. Radziemski, Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, John Wiley & Sons, New York (2006)
