Фигура 1: Механизми за увреждане, причинени от лазер, които се различават значително по скалите на продължителността на импулса. По-дългите импулси, включително тези с продължителност от наносекунди, причиняват щети предимно чрез термични ефекти. Тъй като продължителността на импулса се скъсява до фемтосекундния времеви мащаб, поглъщането на носителя и нелинейните ефекти стават основните механизми за увреждане.
Тъй като лазерната технология продължава да се развива, така и оптиката трябва да отговаря на взискателните спецификации, необходими за приложения с висока точност. Силата на свръхбързите лазери революционизира медицинските процедури, микрообработката, фундаменталните научни изследвания и много други области. За индустрии и приложения, доминирани преди това от наносекундни лазери, приемането на ултрабързи лазери представлява редица предизвикателства, включително значително различни прагове на лазерни щети за оптични компоненти. За да се гарантира ефективността и дълготрайността на лазерните системи, от решаващо значение е да се разберат разликите в праговете на лазерно увреждане при продължителност на импулса от наносекунди и фемтосекунди и причините за тях.
Прагът на лазерно увреждане (LDT), понякога наричан праг на лазерно индуцирано увреждане (LIDT), е ключов параметър, който трябва да се оцени при избора на оптика за всяка лазерна система. ISO 21254 определя LDT като „максималното количество лазерно лъчение инцидент върху оптичен елемент, за който се предполага, че има вероятност да повреди нулевия елемент...". Това определение изглежда достатъчно просто, но действителната стойност на LDT зависи от различни фактори, различни от природата на самия оптичен елемент. По-специално, LDT на оптичен елемент може да варира с няколко порядъка, когато се оценява при продължителност на импулса от наносекунди (10-9s) спрямо фемтосекунди (10-15s). Тази голяма разлика произтича от много различните механизми на лазерно увреждане, които се появяват в тези различни времеви мащаби (вижте Фигура 1).
Наносекундни лазерни механизми за увреждане
За разлика от фемтосекундните импулси, дългите импулси на наносекундните лазери причиняват увреждане на оптичните компоненти предимно чрез термични механизми. Лазерът отлага голямо количество енергия в материала на оптичния елемент, което задейства локализирано нагряване в мястото на падане на лазера. Това нагряване може да доведе директно до топене или може да причини някои структурни промени чрез термично разширение и произтичащо от това механично напрежение. Това напрежение може да доведе до напукване или дори до пълно отделяне на покритието от субстрата.
В допълнение към директното нагряване на покриващия материал, оптиката под наносекундно лазерно облъчване е особено чувствителна към дефекти в покритието. Тези дефекти действат като малки гръмоотводи в рамките на оптичното покритие, тъй като имат много по-висока степен на абсорбция от околната среда. В резултат на това тези дефектни зони се нагряват много по-бързо и в случай на катастрофална лазерна повреда, тези дефекти могат да експлодират от покритието. Този механизъм за драстично увреждане обикновено оставя кратери на повърхността на оптиката, както и някои частици, които се отлагат отново на повърхността веднага след събитието на увреждане (вижте Фигура 2).
Фигура 2: Лазерно увреждане, причинено от 532nn наносекунден импулсен лазер. Това увреждане е причинено от дефект в покритието на оптичния елемент, което води до кратери и повторно отложени частици върху повърхността на елемента.
Тъй като тези дефектни места инициират лазерно увреждане, колкото по-високо е наличието на дефекти, толкова по-нисък е LDT обикновено за даден оптичен елемент. Следователно, за оптиката, използвана с наносекундни лазери, фокусът е върху качеството на повърхността на оптиката. Освен това, тестването на LDT в наносекунда времева скала е силно статистически процес. Вероятността от повреда на всяко дадено място на оптична повърхност се дължи на много свързани фактори, включително размера на падащия лъч, разпределението и плътността на дефектните места и присъщите свойства на материала. Тези многобройни влияния също обясняват защо стойностите на наносекундния LDT могат да варират значително между партидите от едно и също покритие. LDT може да бъде повлиян от несъответствия в полирането и подготовката на субстрата, колебания в действителния процес на нанасяне на покритието и дори промени в условията на съхранение след нанасяне на покритие.
Различните влияния върху наносекундния LDT контрастират с основните механизми, отговорни за увреждането на фемтосекундния лазер, което е свързано предимно с нанесения покривен материал.
Механизми за фемтосекундно лазерно увреждане
Свръхбързите импулси на фемтосекундните лазери причиняват щети чрез различни механизми, отчасти поради много високата пикова мощност, която произвеждат. Въпреки че наносекундните и фемтосекундните лазери имат една и съща импулсна енергия, пиковата мощност на фемтосекундния лазерен импулс може да бъде около милион пъти по-висока от тази на наносекундния лазер поради по-кратката продължителност на импулса на фемтосекундния лазер. Тези лазерни импулси с висок интензитет са способни директно да възбуждат електрони от валентната лента към проводимата лента. Дори ако фотонната енергия на падащия лазерен импулс е по-ниска от този скок (известен като пролуката на материалната лента), пиковият флуенс на ултрабързия лазерен импулс е толкова висок, че електроните могат да абсорбират повече от един фотон наведнъж. Този нелинеен механизъм е известен като многофотонна йонизация и е често срещан път на увреждане в ултрабързата лазерна оптика.
Тунелната йонизация може също да бъде път на увреждане при фемтосекундно лазерно облъчване. Това явление възниква, когато ултрабързият лазерен импулс генерира много силно електрическо поле, което е толкова силно, че падащото електрическо поле всъщност изкривява енергията в лентата на проводимост, което позволява на електроните да тунелират през валентната лента. След като достатъчно електрони са възбудени в лентата на проводимост, падащото лъчение започва да свързва енергията директно в свободните електрони, което води до разпадане на покриващия материал.
Поради тези пътища на увреждане, фемтосекундният LDT е по-детерминистичен от наносекундния LDT. Лазерното увреждане по същество се "включва" при определен входен флуенс на фемтосекундния лазер, който е пропорционален на ширината на лентата на покрития диелектричен покривен материал. Това контрастира с вероятностния характер на наносекундното лазерно увреждане (виж Фигура 3).
Изображение Фигура 3: Резултати от LDT тест, получени при условия на импулс 4ns (вляво) и 48fs (вдясно). Плоският наклон на кривата на наносекундното увреждане отразява вероятностния характер на измерванията, докато рязкото изместване към 100% вероятност за увреждане отразява детерминистичния механизъм на фемтосекундното лазерно увреждане.
За разлика от наносекундния път на увреждане на лазера, важно е да се отбележи, че топлинните ефекти не влияят върху LDT на оптичен елемент във фемтосекундната времева скала. Това е така, защото продължителността на ултрабърз лазерен импулс всъщност е по-бърза от времева скала на топлинна дифузия в структурата на материала. В резултат на това фемтосекундните импулси не отлагат енергия като топлина в покриващия материал и следователно не генерират термично разширение и механично напрежение, както правят наносекундните лазерни импулси. Точно поради тези причини свръхбързите лазери са изключително полезни в много приложения, които изискват високо прецизно рязане и маркиране, като например при производството на сърдечно-съдови стентове.
Избор на правилната оптика
Подобно на тяхната продължителност на импулса, типичните LDT стойности за наносекундни и фемтосекундни импулси могат да се различават с няколко порядъка. Когато се измерва с импулс от 100 fs, LDT стойността на обикновено лазерно огледало може да бъде около 0,2 J/cm2; обаче, когато се измерва с импулс от 5 ns, LDT на оптиката може да бъде по-близо до 10 J/cm2. Тези различни стойности може да са обезпокоителни в началото, но те са просто показателни за много различни механизми на увреждане в тези времеви мащаби.
По същата причина трябва да се внимава допълнително, когато се използват LDT калкулатори в големи времеви мащаби. Като цяло, LDT става по-голям с увеличаване на продължителността на импулса. Но коригирането на стойността на LDT от адаптирани фемтосекундни импулси към адаптирани наносекундни импулси или от адаптирани наносекундни импулси към адаптирани фемтосекундни импулси вероятно ще доведе до повреда на оптиката. Най-добрата практика е да изберете оптика с подходящ LDT рейтинг, който се получава възможно най-близо до вашите действителни условия на приложение (включително дължина на вълната, честота на повторение и продължителност на импулса).
Резюме
Лазерната технология ще продължи да се развива, за да отговори на нуждата от по-голяма прецизност. Тъй като тези нови технологии се оформят, разбирането на разликите в механизмите на лазерно увреждане (и кое увреждане доминира в даден времеви мащаб) ще става все по-важно при избора на правилната оптика за приложения в реалния свят. Разбирането на тези разлики не само ще подобри ефективността и живота на лазерните системи в употреба, но също така ще позволи безпроблемно адаптиране към по-модерни лазерни системи на бъдещето.
