UV laserová optika mívá omezenou životnost kvůli dvěma hlavním příčinám: laserem indukovaná kontaminace (LIC) a UV únava. LIC je způsobena usazováním nežádoucích materiálů na povrchu optiky, zatímco UV únava je způsobena vystavení UV záření, které má za následek poškození optiky. Tyto dva procesy poškození časem zhoršují výkon optického prvku, dokud nedojde k nevratnému poškození.
Dlouhodobé experimenty na 355 nm UV laserové optice používané v různých prostředích odhalily klíčové poznatky o zdrojích kontaminace a únavy, stejně jako o zmírňovacích strategiích a čisticích technikách, které mohou obnovit kontaminovanou optiku.
Co je laserem indukovaná kontaminace (LIC)
Ke kontaminaci optických prvků může dojít, když UV laserové světlo interaguje s částicemi, vodní párou, organickými látkami a jinými nečistotami v systému. Tyto nečistoty mohou pocházet z okolního vzduchu, optomechanického zařízení a dalších materiálů v systému. Ačkoli zmírňující metody, jako je provzdušňování suchým dusíkem, pomáhají, mohou stále vést k LIC. Jakékoli nahromadění částic může zakrýt optickou dráhu, zhoršit funkci součásti a potenciálně snížit práh poškození optiky laserem.
Na optických površích často dochází ke kondenzaci kvůli nízké tepelné vodivosti. Tyto zkondenzované molekuly vody pak mohou interagovat s laserem a povrchovými materiály a iniciovat LIC. Kromě toho emise plynů a další vzduchem přenášené molekulární nečistoty často vedou k usazeninám na optických površích na bázi uhlíku. Stromovitý růst LIC lze pozorovat na obrázku 1.
Výzkum provedený v roce 2005 podrobně popsal různé laserové interakce, které vedou k LIC. Například přednukleace vyvolaná světlem zahrnuje molekulární vrstvu vytvořenou v důsledku přímé interakce UV světla s povrchem skla. Po dostatečně dlouhé expozici se ukázalo, že hustota tohoto nahromadění je na nasycených úrovních.
Interakce s okolními plyny může také vést k usazování kontaminantů. Energie fotonů na UV vlnových délkách menších než 400 nanometrů se začínají blížit vazebným energiím běžných molekul (např. O2, CO2, CO, N2 atd.). To umožňuje UV záření rozbít některé z těchto vazeb a vytvářet další ionty a molekuly, které mohou kontaminovat optické povrchy.
Co je UV únava?
Kromě environmentálně indukovaných LIC jsou materiály používané pro povlaky a substráty náchylné k degradaci v průběhu času v důsledku procesu optické únavy, i když je intenzita světelného zdroje pod prahem poškození laserem (LIDT).
Pojem UV únava lze přirovnat k vazbě knihy. I mírné používání může vést k opotřebení. Experimenty s UV únavou provedené Edmund Optics ukázaly, že za určitých podmínek, jako je vakuum, může UV laserové ozařování vést k účinkům UV únavy. Rozdíl mezi LIC a UV únavou spočívá v tom, že LIC je kumulativní proces, zatímco únava je destrukce materiálu, což má za následek změnu barvy nebo jiné vnitřní změny a možná i odstranění materiálu.
Dva jevy, které určují podmínky a mechanismy tohoto zdánlivého snížení optické výkonnosti, jsou pod prahem poškození jedním pulsem v režimu krátkopulzního laseru.
První mechanismus je založen na úpravě indexu lomu, což vede k efektu čočky, který může zvýšit intenzitu lokalizovaného světla na optickém prvku.
Druhý mechanismus zahrnuje tvorbu opticky indukovaných defektů prostřednictvím tvorby samozachycených excitonů, což vede k akumulaci absorpčních center a ztrátě optické účinnosti.
LIC i optická únava se mohou vyskytovat v laserech na viditelných a infračervených vlnových délkách, i když v menší míře. Vysoká energie UV fotonů však činí tyto efekty běžnějšími v systémech vyzařujících v tomto spektrálním rozsahu.
Trh s UV lasery v posledních letech rychle rostl a očekává se, že mezi roky 2022 a 2028 bude mít CAGR 5,4 %, podle výzkumné firmy MarketWatch3. Vysoce výkonné UV lasery se staly klíčovým prvkem v aplikacích včetně tisku, lékařství, mikrovýroby, zpracování polovodičů a aditivní výroby. Únava LIC a UV záření způsobuje, že výkon těchto systémů časem klesá, což vyžaduje pravidelnou výměnu jejich optických součástí. To výrazně zvyšuje náklady na údržbu UV laserového systému a snižuje účinnost systému. Snížení hodnoty LIDT systému může také zvýšit riziko katastrofického selhání systému způsobeného poškozením způsobeným laserem (obrázek 2).
Analýza LIC a UV únavy
Experimenty pomáhají simulovat proces degradace optických komponent v UV laserových systémech, zkoumat potenciální zdroje kontaminace a zkoumat různá nápravná opatření. V jedné takové studii byly provedeny experimenty s cílem analyzovat změny v LIC a optické únavě způsobené UV laserovým zářením pomocí {{0}}nm, 10- až 20-nanosekundového pulzního laseru vyzařujícího přibližně 0.6 milijoulů na puls, s průměrem paprsku 0,6 mm. Schematický diagram této zkušební stolice je na obr. 3.
Spalovací komora „spalovací komory“ se skládá z několika antireflexních oken, která simulují vliv UV laserového systému, jako je expandér paprsku. Vypalovací box umožňuje paralelně provádět izolovaná experimentální prostředí. Půlvlnná deska a krychle rozdělovače polarizačního paprsku umožnily kontrolu průměrného výkonu každé optické dráhy v experimentu. Sdružený pár měřičů energie měřil průměrný výkon laseru. To sledovalo degradaci přenosu v průběhu doby únavy a/nebo znečištění testované optiky.
Obr. 3. Schéma zkušebního lože UV záření vyvinutého pro simulaci degradace optických prvků v UV laserových systémech, pro zkoumání potenciálních zdrojů kontaminace a pro zkoumání různých nápravných opatření. ar: antireflexní okno; fs: nepotažené okno z taveného oxidu křemičitého; hr: vysoce reflexní zrcadlo; hwp: půlvlnná deska; pbc: krychle rozdělovače polarizačního paprsku.
Experimenty byly prováděny s denním a kontinuálním měřením. Každodenní měření zahrnovala otevření krytu a umístění měřiče energie na každou z měřicích pozic zobrazených na obr. 3, včetně polohy, která obvykle obsahuje sklápěč paprsku, po dobu 3-minutového měření. Nepřetržitá měření zahrnovala umístění dvou elektroměrů na měřicí místa jiná, než je poloha, ve které se normálně nachází sklápěč paprsku. Elektroměry pak zaznamenávaly průměrný výkon každých 30 minut až do dalšího denního měření. Ekologická komora umožnila zkoumání diskrétních účinků různých podmínek, jako jsou podmínky vakua nebo přítomnost plynu. Na konci každého experimentu umožnil diferenciální interferenční kontrastní mikroskop výzkumníkům prohlížet kontaminanty na povrchu okna.
Obrázek 4. Zde zobrazená neprůhledná bílá kontaminace na dříve průhledné optice je způsobena kontaminací vyvolanou laserem (LIC) po vystavení UV laseru. Obrazový kredit: S laskavým svolením Edmunda Optics
Obecné experimentální výsledky
Spalovací komora umožnila paralelní studie izolace a realističtější simulaci komponent laserové optiky, jako je expandér paprsku. Počáteční experimenty ukázaly, že závitová maziva, eloxovaný hliník a nové O-kroužky Viton jsou běžnými zdroji kontaminace v UV systémech v mnoha dalších typech optických sestav. Odstranění těchto faktorů může zlepšit životnost testované optiky.
O-kroužky z Vitonu: S novými, neotevřenými O-kroužky se propustnost okna spalovací komory začala snižovat po čtyřech dnech testu a po sedmi dnech se stala zcela neprůhlednou. Po testu se na kontaminovaných optických površích vytvořila mléčně bílá mlha (obrázek 4). Zapečením O-kroužků před použitím se zabránilo určitému stupni odplynění, což mělo za následek 6% ztrátu přenosu po pěti týdnech spíše než úplnou ztrátu přenosu po jednom týdnu. Umístění O-kroužků do vakua nebo jejich ponechání volně dýchat v čistém prostředí je stejně účinné jako jejich pečení.
Eloxovaný hliník: Eloxované povrchy obsahují póry, které zachycují nečistoty, které se mohou během používání uvolnit. Eloxované materiály se navíc mohou stát reaktivními při vystavení UV záření.
Nerezová ocel: Experimenty používající vyčištěnou nerezovou ocel spíše než eloxovaný hliník nezaznamenaly po sedmi týdnech významnou degradaci.
Indium: Fóliová těsnění z india poskytují vyšší odolnost vůči UV únavě ve srovnání s O-kroužky.
Byly provedeny další experimenty, aby se otestovalo, jak teplota optiky podporuje růst LIC, zda každodenní čištění zabraňuje hromadění nečistot a zda má foukání suchým vzduchem přes systém nějaký pozitivní účinek. Tyto nové experimenty posouvají za expozici UV záření 355 nm k testování vlnové délky 266 nm.
Shrnutí
Pochopení a zmírnění UV únavy a LIC bude stále důležitější, protože mnoho laserových systémů má tendenci přecházet na kratší vlnové délky, aby využily vyšší energii a vyšší rozlišení. Experimentální výsledky při 355 nm ukázaly, že LIC dokáže učinit UV laserovou optiku zcela neprůhlednou již za týden, pokud jsou v systému použity konvenční O-kroužky a eloxovaný hliník. Naštěstí lze tyto vlivy výrazně zmírnit výměnou O-kroužků za indiová těsnění, výměnou eloxovaného hliníku za nerez a maximálně čisté okolí. Při vývoji UV laserového systému se poraďte se svým dodavatelem optiky a zjistěte, jak zajistit, aby byl váš systém odolnější vůči LIC a UV únavě, jak je popsáno v článku.
