UV лазерната оптика има тенденция да има ограничен живот поради две основни причини: лазерно индуцирано замърсяване (LIC) и UV умора. LIC се причинява от отлагането на нежелани материали върху повърхността на оптиката, докато UV умората се причинява от кумулативната излагане на UV светлина, което води до увреждане на оптиката. Тези два процеса на повреда влошават работата на оптичния елемент с течение на времето, докато не бъдат причинени необратими повреди.
Дългосрочни експерименти върху 355 nm UV лазерна оптика, използвана в различни среди, разкриха ключови прозрения за източниците на замърсяване и умора, както и стратегии за смекчаване и техники за почистване, които могат да възстановят замърсената оптика.
Какво е лазерно индуцирано замърсяване (LIC)
Замърсяване на оптичните елементи може да възникне, когато UV лазерната светлина взаимодейства с частици, водна пара, органични вещества и други замърсители в системата. Тези замърсители могат да идват от околния въздух, оптомеханично оборудване и други материали в системата. Въпреки че методите за смекчаване, като аериране със сух азот, помагат, те все още могат да доведат до LIC. Всяко натрупване на прахови частици може да скрие оптичния път, да влоши функцията на компонента и потенциално да понижи прага на лазерно увреждане на оптиката.
Често се появява конденз върху оптичните повърхности поради ниската топлопроводимост. Тези кондензирани водни молекули могат след това да взаимодействат с лазера и повърхностните материали, за да инициират LIC. Освен това газовите емисии и други молекулярни замърсители във въздуха често водят до въглеродни отлагания върху оптичните повърхности. Дървовидният растеж на LIC може да се наблюдава на фигура 1.
Изследване, проведено през 2005 г., описва подробно различните лазерни взаимодействия, които водят до LIC. Например индуцираното от светлина предварително нуклеиране включва молекулярен слой, изграден поради директното взаимодействие на UV светлина със стъклената повърхност. След достатъчно продължителна експозиция беше показано, че плътността на това натрупване е на наситени нива.
Взаимодействието с околните газове също може да доведе до отлагане на замърсители. Фотонните енергии при UV дължини на вълните, по-малки от 400 нанометра, започват да се доближават до енергиите на връзката на обикновените молекули (напр. O2, CO2, CO, N2 и т.н.). Това позволява на UV светлината да разруши някои от тези връзки, създавайки други йони и молекули, които могат да замърсят оптичните повърхности.
Какво е UV умора?
В допълнение към индуцирания от околната среда LIC, материалите, използвани за покрития и субстрати, са податливи на разграждане с течение на времето поради процеса на оптична умора, дори ако интензитетът на източника на светлина е под прага на увреждане, причинено от лазер (LIDT).
Концепцията за UV умора може да се оприличи на подвързване на книга. Дори лекото използване може да доведе до износване. Експериментите с UV умора, проведени от Edmund Optics, показаха, че при определени условия, като вакуум, UV лазерното облъчване може да доведе до ефекти на UV умора. Отличителната черта между LIC и UV умората е, че LIC е кумулативен процес, докато умората е разрушаването на материала, което води до обезцветяване или други присъщи промени и евентуално дори до отстраняване на материала.
Две явления, които определят условията и механизмите на това очевидно намаляване на оптичните характеристики, са под прага на повреда при единичен импулс в лазерния режим с къс импулс.
Първият механизъм се основава на модификацията на индекса на пречупване, което води до ефект на леща, който може да увеличи интензитета на локализираната светлина върху оптичния елемент.
Вторият механизъм включва образуването на оптично индуцирани дефекти чрез образуването на самоуловени екситони, което води до натрупване на абсорбционни центрове и загуба на оптична ефективност.
Както LIC, така и оптична умора могат да възникнат в лазери при видими и инфрачервени дължини на вълните, макар и в по-малка степен. Въпреки това, високата енергия на UV фотоните прави тези ефекти по-чести в системи, излъчващи в този спектрален диапазон.
Пазарът на UV лазери се разрасна бързо през последните години и се очаква да има CAGR от 5,4% между 2022 г. и 2028 г., според изследователската фирма MarketWatch3. Високомощните UV лазери се превърнаха в ключов елемент в приложения, включително печат, медицина, микропроизводство, обработка на полупроводници и производство на добавки. LIC и UV умората причиняват влошаване на работата на тези системи с течение на времето, което изисква периодична подмяна на техните оптични компоненти. Това значително увеличава разходите за поддръжка на UV лазерна система и намалява ефективността на системата. Намаляването на LIDT на системата може също така да увеличи риска от катастрофална повреда на системата, причинена от увреждане, причинено от лазер (Фигура 2).
Анализиране на LIC и UV умора
Експериментите помагат да се симулира процесът на разграждане на оптичните компоненти в UV лазерни системи, да се изследват потенциални източници на замърсяване и да се изследват различни коригиращи мерки. В едно такова проучване бяха проведени експерименти за анализиране на промените в LIC и оптичната умора, предизвикани от UV лазерно облъчване, използвайки {{0}}nm, 10- до 20-наносекунден импулсен лазер, излъчващ приблизително 0.6 милиджаула на импулс, с диаметър на лъча 0,6 mm. Схематичната диаграма на този тестов стенд е показана на фиг. 3.
„Горивната камера“ на горивната кутия се състои от няколко антирефлексни прозореца, които симулират как се въздейства на UV лазерна система, като разширител на лъча. Burn-box дава възможност за паралелно провеждане на изолирани експериментални среди. Полувълнов лист и разделител на поляризационен лъч позволяват контрол на средната мощност на всеки оптичен път в експеримента. Съвпадащи двойки измерватели на енергия измерват средната мощност на лазера. Това наблюдава влошаването на предаването през времето на умора и/или замърсяване на тестваната оптика.
Фигура 3. Схема на тестовата платформа за излагане на UV лъчи, разработена за симулиране на разграждане на оптични елементи в UV лазерни системи, за изследване на потенциални източници на замърсяване и за изследване на различни коригиращи мерки. ar: антирефлексен прозорец; fs: прозорец от стопен силициев диоксид без покритие; hr: силно отразяващо огледало; hwp: полувълнова плоча; pbc: разделител на поляризационен лъч.
Проведени са експерименти с ежедневни и непрекъснати измервания. Ежедневните измервания включваха отваряне на корпуса и поставяне на електромер на всяка от позициите на измерване, показани на Фиг. 3, включително позицията, която обикновено съдържа наклонителя на лъча, за 3-минутно измерване. Непрекъснатите измервания включваха поставяне на два измервателни уреда на измервателни позиции, различни от позицията, която обикновено съдържа накланящия лъч. След това измервателите на енергия записват средна мощност на всеки 30 минути до следващото ежедневно измерване. Екологична камера позволява изследване на дискретни ефекти от различни условия, като условия на вакуум или наличие на газ. В края на всеки експеримент контрастен микроскоп с диференциална интерференция позволи на изследователите да видят замърсителите по повърхността на прозореца.
Фигура 4. Непрозрачното бяло замърсяване върху преди това прозрачна оптика, показано тук, се дължи на лазерно индуцирано замърсяване (LIC) след излагане на UV лазер. Кредит за изображение: С любезното съдействие на Edmund Optics
Общи експериментални резултати
Горивната камера позволява паралелни изследвания на изолацията и по-реалистична симулация на лазерни оптични компоненти, като разширителя на лъча. Първоначалните експерименти показаха, че смазките за резби, анодизираният алуминий и новите О-пръстени от Viton са често срещани източници на замърсяване в UV системите в много други видове оптични модули. Премахването на тези фактори може да подобри живота на тестваната оптика.
Viton О-пръстени: С нови, неотворени О-пръстени, пропускливостта на прозореца на горивната камера започна да намалява четири дни след теста и стана напълно непрозрачна след седем дни. След теста върху замърсените оптични повърхности се образува млечнобяла мъгла (Фигура 4). Изпичането на О-пръстените преди употреба предотврати известна степен на отделяне на газове, което доведе до 6% загуба на предаване на пет седмици, вместо пълна загуба на предаване след една седмица. Поставянето на О-пръстени във вакуум или оставянето им да дишат свободно в чиста среда е също толкова ефективно, колкото и печенето им.
Анодизиран алуминий: Анодизираните повърхности съдържат пори, които улавят замърсители, които могат да бъдат освободени по време на употреба. В допълнение, анодизираните материали могат да станат реактивни при излагане на UV лъчи.
Неръждаема стомана: Експериментите с използване на почистена неръждаема стомана вместо анодизиран алуминий не наблюдават значително разграждане след седем седмици.
Индий: Фолиените уплътнения от индий осигуряват по-висока устойчивост на UV умора в сравнение с О-пръстените.
Бяха проведени допълнителни експерименти, за да се провери как температурата на оптиката насърчава растежа на LIC, дали ежедневното почистване предотвратява натрупването на замърсители и дали продухването на сух въздух върху системата има някакъв положителен ефект. Тези нови експерименти преминават отвъд 355 nm UV експозиция към 266 nm дължина на вълната.
Обобщаване
Разбирането и смекчаването на UV умората и LIC ще става все по-важно, тъй като много лазерни системи са склонни да преминават към по-къси дължини на вълните, за да използват по-висока енергия и по-висока резолюция. Експериментални резултати при 355 nm показват, че LIC може да направи UV лазерната оптика напълно непрозрачна само за една седмица, ако в системата се използват конвенционални О-пръстени и анодизиран алуминий. За щастие, тези ефекти могат да бъдат значително смекчени чрез замяна на О-пръстените с индиеви уплътнения, замяна на анодизирания алуминий с неръждаема стомана и правене на околната среда възможно най-чиста. Когато разработвате UV лазерна система, говорете с вашия доставчик на оптика, за да разберете как да направите вашата система по-устойчива на LIC и UV умора, както е описано в статията.
