UV laserová optika má tendenciu mať obmedzenú životnosť v dôsledku dvoch hlavných príčin: laserom indukovaná kontaminácia (LIC) a UV únava. vystavenie UV žiareniu, ktoré vedie k poškodeniu optiky. Tieto dva procesy poškodenia časom zhoršujú výkon optického prvku, až kým nedôjde k nezvratnému poškodeniu.
Dlhodobé experimenty s 355 nm UV laserovou optikou používanou v rôznych prostrediach odhalili kľúčové poznatky o zdrojoch kontaminácie a únavy, ako aj o stratégiách zmierňovania a čistiacich techník, ktoré môžu obnoviť kontaminovanú optiku.
Čo je laserom indukovaná kontaminácia (LIC)
Kontaminácia optických prvkov môže nastať, keď UV laserové svetlo interaguje s časticami, vodnou parou, organickými látkami a inými kontaminantmi v systéme. Tieto kontaminanty môžu pochádzať z okolitého vzduchu, optomechanických zariadení a iných materiálov v systéme. Hoci zmierňujúce metódy, ako je prevzdušňovanie suchým dusíkom, pomáhajú, stále môžu viesť k LIC. Akékoľvek nahromadenie častíc môže zakryť optickú dráhu, zhoršiť funkciu komponentov a potenciálne znížiť prah poškodenia optiky laserom.
Na optických povrchoch často dochádza ku kondenzácii v dôsledku nízkej tepelnej vodivosti. Tieto kondenzované molekuly vody potom môžu interagovať s laserom a povrchovými materiálmi, aby iniciovali LIC. Okrem toho emisie plynov a iné vzduchom prenášané molekulárne nečistoty často vedú k usadzovaniu na báze uhlíka na optických povrchoch. Stromovitý rast LIC možno pozorovať na obrázku 1.
Výskum uskutočnený v roku 2005 podrobne opísal rôzne laserové interakcie, ktoré vedú k LIC. Napríklad svetlom indukovaná prednukleácia zahŕňa molekulárnu vrstvu vytvorenú v dôsledku priamej interakcie UV svetla s povrchom skla. Po dostatočne dlhej expozícii sa ukázalo, že hustota tohto nahromadenia je na nasýtených úrovniach.
Interakcia s okolitými plynmi môže tiež viesť k usadzovaniu kontaminantov. Energie fotónov pri UV vlnových dĺžkach menších ako 400 nanometrov sa začínajú približovať väzbovým energiám bežných molekúl (napr. O2, CO2, CO, N2 atď.). To umožňuje UV svetlu rozložiť niektoré z týchto väzieb a vytvoriť ďalšie ióny a molekuly, ktoré môžu kontaminovať optické povrchy.
Čo je to UV únava?
Okrem environmentálne indukovaných LIC sú materiály používané na nátery a substráty náchylné na degradáciu v priebehu času v dôsledku procesu optickej únavy, aj keď je intenzita svetelného zdroja pod hranicou laserom indukovaného poškodenia (LIDT).
Pojem UV únava možno prirovnať k viazaniu knihy. Aj mierne používanie môže viesť k opotrebovaniu. Experimenty s UV únavou, ktoré vykonal Edmund Optics, ukázali, že za určitých podmienok, ako je vákuum, môže ožarovanie UV laserom viesť k účinkom UV únavy. Rozlišujúcim znakom medzi únavou LIC a UV únavou je, že LIC je kumulatívny proces, zatiaľ čo únava je deštrukcia materiálu, čo má za následok zmenu farby alebo iné vnútorné zmeny a možno aj odstránenie materiálu.
Dva javy, ktoré určujú podmienky a mechanizmy tohto zjavného zníženia optického výkonu, sú pod hranicou poškodenia jedným impulzom v režime lasera s krátkym impulzom.
Prvý mechanizmus je založený na modifikácii indexu lomu, čo vedie k efektu šošovky, ktorý môže zvýšiť intenzitu lokalizovaného svetla na optickom prvku.
Druhý mechanizmus zahŕňa tvorbu opticky indukovaných defektov prostredníctvom tvorby samozachytených excitónov, čo vedie k akumulácii absorpčných centier a strate optickej účinnosti.
LIC aj optická únava sa môžu vyskytnúť v laseroch pri viditeľných a infračervených vlnových dĺžkach, aj keď v menšom rozsahu. Vysoká energia UV fotónov však robí tieto efekty bežnejšími v systémoch emitujúcich v tomto spektrálnom rozsahu.
Trh s UV lasermi sa v posledných rokoch rýchlo rozrástol a očakáva sa, že medzi rokmi 2022 a 2028 bude mať CAGR 5,4 %, podľa výskumnej spoločnosti MarketWatch3. Vysokovýkonné UV lasery sa stali kľúčovým prvkom v aplikáciách vrátane tlače, medicíny, mikrovýroby, spracovania polovodičov a výroby aditív. Únava LIC a UV žiarenia spôsobuje, že výkon týchto systémov časom klesá, čo si vyžaduje pravidelnú výmenu ich optických komponentov. To výrazne zvyšuje náklady na údržbu UV laserového systému a znižuje účinnosť systému. Zníženie hodnoty LIDT systému môže tiež zvýšiť riziko katastrofického zlyhania systému spôsobeného poškodením spôsobeným laserom (obrázok 2).
Analýza LIC a UV únavy
Experimenty pomáhajú simulovať proces degradácie optických komponentov v UV laserových systémoch, skúmajú potenciálne zdroje kontaminácie a skúmajú rôzne nápravné opatrenia. V jednej takejto štúdii sa uskutočnili experimenty na analýzu zmien v LIC a optickej únave vyvolanej UV laserovým žiarením pomocou {{0}}nm, 10- až 20-nanosekundového pulzného lasera vyžarujúceho približne 0.6 milijoulov na impulz, s priemerom lúča 0,6 mm. Schematický diagram tejto skúšobnej stolice je na obr.
Spaľovacia komora pozostáva z niekoľkých antireflexných okien, ktoré simulujú vplyv UV laserového systému, ako je napríklad expandér lúčov. Vypaľovací box umožňuje paralelne vykonávať izolované experimentálne prostredia. Polvlnový list a kocka na rozdeľovanie polarizačného lúča umožnili kontrolu priemerného výkonu každej optickej dráhy v experimente. Zodpovedajúci pár meračov energie meral priemerný výkon lasera. Tým sa monitorovala degradácia prenosu v priebehu času únavy a/alebo znečistenia testovanej optiky.
Obr. 3. Schéma testovacieho lôžka UV žiarenia vyvinutého na simuláciu degradácie optických prvkov v UV laserových systémoch, skúmanie potenciálnych zdrojov kontaminácie a skúmanie rôznych nápravných opatrení. ar: antireflexné okno; fs: nepotiahnuté okienko z taveného oxidu kremičitého; hr: vysoko reflexné zrkadlo; hwp: polvlnová platňa; pbc: kocka na rozdeľovanie polarizačného lúča.
Experimenty sa uskutočňovali s dennými a kontinuálnymi meraniami. Denné merania zahŕňali otvorenie krytu a umiestnenie merača energie na každú z meracích polôh znázornených na Obr. 3, vrátane polohy, v ktorej sa zvyčajne nachádza vyklápač lúča, na 3-minútové meranie. Nepretržité merania zahŕňali umiestnenie dvoch meračov energie do iných meracích pozícií, ako je poloha, v ktorej sa bežne nachádza vyklápač lúča. Elektromery potom zaznamenávali priemerný výkon každých 30 minút až do ďalšieho denného merania. Environmentálna komora umožnila skúmanie diskrétnych účinkov rôznych podmienok, ako sú podmienky vákua alebo prítomnosť plynu. Na konci každého experimentu umožnil diferenciálny interferenčný kontrastný mikroskop výskumníkom zobraziť kontaminanty na povrchu okna.
Obrázok 4. Tu zobrazená nepriehľadná biela kontaminácia na predtým priehľadnej optike je spôsobená kontamináciou vyvolanou laserom (LIC) po vystavení UV laseru. Obrazový kredit: S láskavým dovolením Edmunda Opticsa
Všeobecné experimentálne výsledky
Spaľovacia komora umožnila paralelné štúdie izolácie a realistickejšiu simuláciu komponentov laserovej optiky, ako je expandér lúčov. Počiatočné experimenty ukázali, že závitové mazivá, eloxovaný hliník a nové O-krúžky Viton sú bežnými zdrojmi kontaminácie v UV systémoch v mnohých iných typoch optických zostáv. Odstránenie týchto faktorov môže predĺžiť životnosť testovanej optiky.
Viton O-krúžky: S novými, neotvorenými O-krúžkami sa priepustnosť okna spaľovacej komory začala znižovať po štyroch dňoch testu a po siedmich dňoch sa stala úplne nepriehľadnou. Po teste sa na kontaminovaných optických povrchoch vytvorila mliečna biela hmla (obrázok 4). Zapečením O-krúžkov pred použitím sa zabránilo určitému stupňu odplynenia, čo malo za následok 6% stratu prenosu po piatich týždňoch, a nie úplnú stratu prenosu po jednom týždni. Umiestniť O-krúžky do vysávača alebo ich nechať voľne dýchať v čistom prostredí je rovnako efektívne ako ich pečenie.
Eloxovaný hliník: Eloxované povrchy obsahujú póry, ktoré zachytávajú nečistoty, ktoré sa môžu uvoľniť počas používania. Navyše eloxované materiály sa môžu stať reaktívnymi pri vystavení UV žiareniu.
Nehrdzavejúca oceľ: Experimenty s použitím vyčistenej nehrdzavejúcej ocele namiesto eloxovaného hliníka nezaznamenali po siedmich týždňoch významnú degradáciu.
Indium: Fóliové tesnenia z india poskytujú vyššiu odolnosť voči UV únave v porovnaní s O-krúžkami.
Uskutočnili sa ďalšie experimenty, aby sa otestovalo, ako teplota optiky podporuje rast LIC, či každodenné čistenie zabraňuje hromadeniu nečistôt a či má fúkanie suchým vzduchom cez systém nejaký pozitívny účinok. Tieto nové experimenty sa pohybujú za hranicou vystavenia UV žiareniu 355 nm k testovaniu vlnovej dĺžky 266 nm.
Zhrnutie
Pochopenie a zmiernenie UV únavy a LIC bude čoraz dôležitejšie, pretože mnohé laserové systémy majú tendenciu prejsť na kratšie vlnové dĺžky, aby využili vyššiu energiu a vyššie rozlíšenie. Experimentálne výsledky pri 355 nm ukázali, že LIC dokáže urobiť UV laserovú optiku úplne nepriehľadnou už za týždeň, ak sa v systéme použijú konvenčné O-krúžky a eloxovaný hliník. Našťastie sa tieto vplyvy dajú výrazne zmierniť výmenou O-krúžkov za indiové tesnenia, nahradením eloxovaného hliníka nerezovou oceľou a maximálne čistým okolím. Pri vývoji UV laserového systému sa porozprávajte so svojím dodávateľom optiky, aby ste zistili, ako urobiť váš systém odolnejším voči LIC a UV únave, ako je popísané v článku.
