Optyka lasera UV ma zwykle ograniczoną żywotność z dwóch głównych przyczyn: zanieczyszczenia wywołanego laserem (LIC) i zmęczenia promieniami UV. LIC jest spowodowane osadzaniem się niepożądanych materiałów na powierzchni optyki, podczas gdy zmęczenie UV jest spowodowane kumulacją ekspozycja na światło UV, które powoduje uszkodzenie optyki. Te dwa procesy uszkadzające z biegiem czasu pogarszają działanie elementu optycznego, aż do powstania nieodwracalnego uszkodzenia.
Długoterminowe eksperymenty z optyką lasera UV 355 nm używaną w różnych środowiskach pozwoliły uzyskać kluczową wiedzę na temat źródeł zanieczyszczeń i zmęczenia, a także strategii łagodzenia skutków i technik czyszczenia, które mogą przywrócić zanieczyszczoną optykę.
Co to jest skażenie wywołane laserem (LIC)
Zanieczyszczenie elementów optycznych może nastąpić, gdy światło lasera UV wchodzi w interakcję z cząsteczkami, parą wodną, substancjami organicznymi i innymi zanieczyszczeniami w systemie. Zanieczyszczenia te mogą pochodzić z otaczającego powietrza, sprzętu optomechanicznego i innych materiałów w systemie. Chociaż metody łagodzące, takie jak napowietrzanie suchym azotem, mogą prowadzić do LIC. Wszelkie nagromadzenie cząstek stałych może przesłaniać ścieżkę optyczną, pogarszać działanie komponentów i potencjalnie obniżać próg uszkodzenia optyki przez laser.
Na powierzchniach optycznych często dochodzi do kondensacji ze względu na niską przewodność cieplną. Te skondensowane cząsteczki wody mogą następnie wchodzić w interakcję z laserem i materiałami powierzchniowymi, inicjując LIC. Ponadto emisje gazów i inne zanieczyszczenia molekularne unoszące się w powietrzu często prowadzą do osadów na bazie węgla na powierzchniach optycznych. Drzewiasty wzrost LIC można zaobserwować na rycinie 1.
Badania przeprowadzone w 2005 roku szczegółowo opisały różne interakcje laserów prowadzące do LIC. Na przykład prenukleacja indukowana światłem obejmuje warstwę molekularną utworzoną w wyniku bezpośredniego oddziaływania światła UV z powierzchnią szkła. Po wystarczająco długim czasie ekspozycji okazało się, że gęstość tego osadu jest na poziomie nasycenia.
Interakcja z otaczającymi gazami może również prowadzić do osadzania się zanieczyszczeń. Energie fotonów przy długości fali UV mniejszej niż 400 nanometrów zaczynają zbliżać się do energii wiązań zwykłych cząsteczek (np. O2, CO2, CO, N2 itp.). Dzięki temu światło UV może rozbić niektóre z tych wiązań, tworząc inne jony i cząsteczki, które mogą zanieczyścić powierzchnie optyczne.
Co to jest zmęczenie UV?
Oprócz LIC wywołanego przez środowisko, materiały stosowane do powłok i podłoży są podatne na degradację w czasie w wyniku procesu zmęczenia optycznego, nawet jeśli natężenie źródła światła jest poniżej progu uszkodzeń wywołanych laserem (LIDT).
Koncepcję zmęczenia promieniami UV można porównać do oprawy książki. Nawet lekkie użytkowanie może prowadzić do zużycia. Eksperymenty ze zmęczeniem UV przeprowadzone przez Edmund Optics wykazały, że w pewnych warunkach, takich jak próżnia, napromieniowanie laserem UV może prowadzić do efektów zmęczenia UV. Cechą odróżniającą LIC od zmęczenia UV jest to, że LIC jest procesem kumulującym się, podczas gdy zmęczenie to niszczenie materiału, powodując odbarwienie lub inne wewnętrzne zmiany, a nawet usunięcie materiału.
Dwa zjawiska determinujące warunki i mechanizmy tego widocznego zmniejszenia wydajności optycznej znajdują się poniżej progu uszkodzenia pojedynczego impulsu w reżimie lasera krótkoimpulsowego.
Pierwszy mechanizm opiera się na modyfikacji współczynnika załamania światła, prowadząc do efektu soczewkowania, który może zwiększyć zlokalizowane natężenie światła na elemencie optycznym.
Drugi mechanizm polega na tworzeniu się defektów indukowanych optycznie poprzez tworzenie samouwięzionych ekscytonów, co prowadzi do akumulacji centrów absorpcji i utraty skuteczności optycznej.
Zarówno zmęczenie LIC, jak i zmęczenie optyczne, mogą wystąpić w laserach w zakresie fal widzialnych i podczerwonych, choć w mniejszym stopniu. Jednak wysoka energia fotonów UV powoduje, że efekty te są częstsze w układach emitujących w tym zakresie widmowym.
Według firmy badawczej MarketWatch3 rynek laserów UV szybko się rozwinął w ostatnich latach i oczekuje się, że w latach 2022–2028 jego CAGR wyniesie 5,4%. Lasery UV o dużej mocy stały się kluczowym elementem w zastosowaniach obejmujących druk, medycynę, mikrofabrykację, przetwarzanie półprzewodników i produkcję przyrostową. Zmęczenie LIC i UV powoduje pogorszenie wydajności tych systemów z biegiem czasu, co wymaga okresowej wymiany ich elementów optycznych. Znacząco zwiększa to koszty utrzymania systemu laserowego UV i zmniejsza jego wydajność. Zmniejszenie LIDT systemu może również zwiększyć ryzyko katastrofalnej awarii systemu spowodowanej uszkodzeniem wywołanym laserem (rysunek 2).
Analiza zmęczenia LIC i UV
Eksperymenty pomagają symulować proces degradacji elementów optycznych w systemach laserowych UV, badać potencjalne źródła zanieczyszczeń i badać różne środki naprawcze. W jednym z takich badań przeprowadzono eksperymenty mające na celu analizę zmian w LIC i zmęczeniu optycznym wywołanych napromienianiem lasera UV przy użyciu lasera impulsowego o wartości od {{0}}nm, 10- do 20-nanosekund, emitującego około 0,6 milidżula na impuls, przy średnicy wiązki 0,6 mm. Schemat ideowy tego stanowiska badawczego pokazano na rys. 3.
„Komora spalania” komory spalania składa się z kilku okien antyrefleksyjnych, które symulują wpływ wpływu na system laserowy UV, taki jak ekspander wiązki. Burn-box umożliwia równoległe prowadzenie izolowanych środowisk eksperymentalnych. Arkusz półfalowy i kostka rozdzielająca wiązkę polaryzacyjną umożliwiły kontrolę średniej mocy każdej ścieżki optycznej w eksperymencie. Dopasowana para liczników energii zmierzyła średnią moc lasera. Pozwala to monitorować degradację transmisji w czasie zmęczenia i/lub zanieczyszczenia testowanej optyki.
Ryc. 3. Schemat stanowiska testowego ekspozycji na promieniowanie UV opracowanego w celu symulacji degradacji elementów optycznych w systemach laserowych UV, w celu zbadania potencjalnych źródeł zanieczyszczeń i zbadania różnych środków naprawczych. ar: okno antyrefleksyjne; fs: niepowlekane okno z topionej krzemionki; hr: lustro silnie odblaskowe; hwp: płyta półfalowa; pbc: kostka rozdzielająca wiązkę polaryzacyjną.
Doświadczenia przeprowadzono z pomiarami dziennymi i ciągłymi. Codzienne pomiary obejmowały otwarcie obudowy i umieszczenie licznika energii w każdym z miejsc pomiarowych pokazanych na rys. 3, w tym w miejscu, w którym zwykle znajduje się przechył belki, w celu wykonania 3-minutowego pomiaru. Pomiary ciągłe polegały na umieszczeniu dwóch liczników energii w pozycjach pomiarowych innych niż pozycja, w której zwykle znajduje się przechył belki. Następnie liczniki energii rejestrowały średnią moc co 30 minut, aż do następnego codziennego pomiaru. Komora środowiskowa umożliwiła badanie dyskretnych skutków różnych warunków, takich jak warunki próżniowe lub obecność gazu. Pod koniec każdego eksperymentu różnicowy mikroskop kontrastowo-interferencyjny umożliwiał badaczom obserwację zanieczyszczeń na powierzchni okna.
Rysunek 4. Pokazane tutaj nieprzezroczyste białe zanieczyszczenie wcześniej przezroczystej optyki jest spowodowane zanieczyszczeniem wywołanym laserem (LIC) po ekspozycji na laser UV. Źródło obrazu: dzięki uprzejmości Edmund Optics
Ogólne wyniki eksperymentów
Komora spalania umożliwiła równoległe badania izolacji i bardziej realistyczną symulację elementów optyki laserowej, takich jak ekspander wiązki. Wstępne eksperymenty wykazały, że smary do gwintów, anodyzowane aluminium i nowe pierścienie uszczelniające typu O-ring z Vitonu są częstymi źródłami zanieczyszczeń w układach UV w wielu innych typach zespołów optycznych. Usunięcie tych czynników może wydłużyć żywotność testowanej optyki.
O-ringi z Vitonu: W przypadku nowych, nieotwartych O-ringów przepuszczalność okna komory spalania zaczęła spadać po czterech dniach od rozpoczęcia testu i stała się całkowicie nieprzezroczysta po siedmiu dniach. Po teście na zanieczyszczonych powierzchniach optycznych utworzyła się mlecznobiała mgiełka (rysunek 4). Wypiekanie O-ringów przed użyciem zapobiegło pewnemu stopniowi odgazowania, co skutkowało 6% utratą transmisji po pięciu tygodniach, a nie całkowitą utratą transmisji po tygodniu. Umieszczenie O-ringów w próżni lub umożliwienie im swobodnego oddychania w czystym środowisku jest tak samo skuteczne, jak ich pieczenie.
Anodowane aluminium: Anodowane powierzchnie zawierają pory, które zatrzymują zanieczyszczenia, które mogą uwolnić się podczas użytkowania. Ponadto materiały anodowane mogą stać się reaktywne pod wpływem promieniowania UV.
Stal nierdzewna: Eksperymenty z użyciem oczyszczonej stali nierdzewnej zamiast anodowanego aluminium nie wykazały znaczącej degradacji po siedmiu tygodniach.
Ind: Uszczelki foliowe z indu zapewniają wyższą odporność na zmęczenie UV w porównaniu do pierścieni typu O-ring.
Przeprowadzono dodatkowe eksperymenty, aby sprawdzić, jak temperatura optyki sprzyja rozwojowi LIC, czy codzienne czyszczenie zapobiega gromadzeniu się zanieczyszczeń i czy przedmuchanie układu suchym powietrzem ma jakikolwiek pozytywny wpływ. Te nowe eksperymenty wychodzą poza ekspozycję na promieniowanie UV o długości 355 nm i skupiają się na testowaniu długości fali 266 nm.
Zreasumowanie
Zrozumienie i łagodzenie zmęczenia UV i LIC będzie coraz ważniejsze, ponieważ wiele systemów laserowych ma tendencję do przechodzenia na krótsze fale, aby wykorzystać wyższą energię i wyższą rozdzielczość. Wyniki eksperymentów przy 355 nm wykazały, że LIC może sprawić, że optyka lasera UV stanie się całkowicie nieprzezroczysta w ciągu zaledwie tygodnia, jeśli w systemie zastosowane zostaną konwencjonalne pierścienie typu O-ring i anodowane aluminium. Na szczęście efekty te można znacznie złagodzić, wymieniając O-ringi na uszczelki indowe, zastępując anodowane aluminium stalą nierdzewną i czyniąc otoczenie tak czystym, jak to tylko możliwe. Podczas opracowywania systemu lasera UV porozmawiaj ze swoim dostawcą optyki, aby dowiedzieć się, jak zwiększyć odporność systemu na zmęczenie LIC i UV, jak opisano w artykule.
