UV-laseroptikk har en tendens til å ha begrenset levetid på grunn av to hovedårsaker: laserindusert forurensning (LIC) og UV-tretthet.LIC er forårsaket av avsetning av uønskede materialer på overflaten av optikken, mens UV-tretthet er forårsaket av den kumulative eksponering for UV-lys som resulterer i skade på optikken. Disse to skadeprosessene forringer ytelsen til det optiske elementet over tid inntil irreversibel skade er forårsaket.
Langsiktige eksperimenter på 355 nm UV-laseroptikk brukt i forskjellige miljøer har avslørt nøkkelinnsikt i kildene til forurensning og tretthet, samt avbøtende strategier og renseteknikker som kan gjenopprette forurenset optikk.
Hva er laserindusert forurensning (LIC)
Kontaminering av optiske elementer kan oppstå når UV-laserlys interagerer med partikler, vanndamp, organiske stoffer og andre forurensninger i systemet. Disse forurensningene kan komme fra omgivelsesluft, optomekanisk utstyr og andre materialer i systemet. Selv om avbøtende metoder som lufting med tørr nitrogen hjelper, kan de fortsatt føre til LIC. Enhver oppsamling av partikler kan skjule den optiske banen, forringe komponentfunksjonen og potensielt senke laserskadeterskelen til optikken.
Kondensering oppstår ofte på optiske overflater på grunn av lav varmeledningsevne. Disse kondenserte vannmolekylene kan deretter samhandle med laseren og overflatematerialene for å starte LIC. I tillegg fører gassutslipp og andre luftbårne molekylære forurensninger ofte til karbonbaserte avsetninger på optiske overflater. Trelignende vekst av LIC kan observeres i figur 1.
Forskning utført i 2005 beskrev i detalj de ulike laserinteraksjonene som fører til LIC. For eksempel involverer lysindusert prekjerning et molekylært lag bygget opp på grunn av den direkte interaksjonen av UV-lys med glassoverflaten. Etter en tilstrekkelig lang eksponering ble tettheten av denne oppbyggingen vist å være på mettede nivåer.
Interaksjon med omgivende gasser kan også føre til avsetning av forurensninger. Fotonenergier ved UV-bølgelengder mindre enn 400 nanometer begynner å nærme seg bindingsenergiene til vanlige molekyler (f.eks. O2, CO2, CO, N2, etc.). Dette gjør at UV-lys bryter ned noen av disse bindingene, og skaper andre ioner og molekyler som kan forurense optiske overflater.
Hva er UV-tretthet?
I tillegg til miljøindusert LIC, er materialer som brukes til belegg og substrater utsatt for nedbrytning over tid på grunn av prosessen med optisk tretthet, selv om intensiteten til lyskilden er under Laser Induced Damage Threshold (LIDT).
Konseptet med UV-tretthet kan sammenlignes med å binde en bok. Selv lett bruk kan føre til slitasje. UV-tretthetseksperimenter utført av Edmund Optics har vist at under visse forhold, som vakuum, kan UV-laserbestråling føre til UV-tretthetseffekter. Det som skiller LIC og UV-tretthet er at LIC er en kumulativ prosess, mens tretthet er ødeleggelse av materialet, noe som resulterer i misfarging eller andre iboende endringer, og muligens til og med fjerning av materialet.
To fenomener som bestemmer betingelsene og mekanismene for denne tilsynelatende reduksjonen i optisk ytelse er under enkeltpulsskadeterskelen i kortpulslaserregimet.
Den første mekanismen er basert på modifikasjon av brytningsindeksen, noe som fører til en linseeffekt som kan øke den lokaliserte lysintensiteten på det optiske elementet.
Den andre mekanismen involverer dannelsen av optisk induserte defekter gjennom dannelsen av selvfangede eksitoner, noe som fører til akkumulering av absorpsjonssentre og tap av optisk effektivitet.
Både LIC og optisk tretthet kan forekomme i lasere ved synlige og infrarøde bølgelengder, om enn i mindre grad. Den høye energien til UV-fotoner gjør imidlertid disse effektene mer vanlige i systemer som sender ut i dette spektrale området.
UV-lasermarkedet har vokst raskt de siste årene og forventes å ha en CAGR på 5,4 % mellom 2022 og 2028, ifølge analysefirmaet MarketWatch3. Høyeffekts UV-lasere har blitt et nøkkelelement i applikasjoner, inkludert utskrift, medisin, mikrofabrikasjon, halvlederbehandling og additiv produksjon. LIC og UV-tretthet fører til at ytelsen til disse systemene forringes over tid, noe som krever periodisk utskifting av deres optiske komponenter. Dette øker kostnadene ved vedlikehold av et UV-lasersystem betydelig og reduserer systemets effektivitet. En reduksjon i systemets LIDT kan også øke risikoen for katastrofal systemsvikt forårsaket av laserindusert skade (Figur 2).
Analyserer LIC og UV-tretthet
Eksperimenter hjelper til med å simulere nedbrytningsprosessen til optiske komponenter i UV-lasersystemer, undersøke potensielle kilder til forurensning og utforske ulike korrigerende tiltak. I en slik studie ble det utført eksperimenter for å analysere endringer i LIC og optisk tretthet indusert av UV-laserbestråling ved bruk av en {{0}}nm, 10- til 20-nanosekunders pulset laser som sender ut ca. 0,6 millijoule per puls, med en strålediameter på 0,6 mm. Det skjematiske diagrammet av denne testbenken er vist i fig. 3.
Brennboks-"brennkammeret" består av flere anti-reflekterende vinduer som simulerer hvordan et UV-lasersystem påvirkes, for eksempel en stråleutvider. Brennboksen gjør det mulig å utføre isolerte eksperimentelle miljøer parallelt. Et halvbølgeark og polarisasjonsstråledelerkube tillot kontroll av gjennomsnittseffekten til hver optisk bane i eksperimentet. Et matchende par energimålere målte gjennomsnittlig lasereffekt. Dette overvåket transmisjonsdegraderingen over tiden med tretthet og/eller kontaminering av den testede optikken.
Fig. 3. Skjematisk av testbedet for UV-eksponering utviklet for å simulere nedbrytning av optiske elementer i UV-lasersystemer, for å undersøke potensielle kilder til forurensning og for å utforske ulike korrigerende tiltak. ar: anti-reflekterende vindu; fs: ubelagt vindu av smeltet silika; hr: svært reflekterende speil; hwp: halvbølgeplate; pbc: polarisasjonsstråledelerkube.
Det ble utført forsøk med daglige og kontinuerlige målinger. Daglige målinger innebar å åpne huset og plassere en energimåler ved hver av måleposisjonene vist i fig. 3, inkludert posisjonen som vanligvis inneholder strålevipperen, for en 3-minutts måling. Kontinuerlige målinger innebar plassering av to energimålere på andre måleposisjoner enn posisjonen som normalt inneholder bjelkevipperen. Energimålerne registrerte deretter gjennomsnittlig effekt hvert 30. minutt frem til neste daglige måling. Et miljøkammer tillot undersøkelse av diskrete effekter av forskjellige forhold, for eksempel vakuumforhold eller tilstedeværelse av gass. På slutten av hvert eksperiment tillot et differensialinterferenskontrastmikroskop forskere å se forurensninger på vindusoverflaten.
Figur 4. Den ugjennomsiktige hvite forurensningen på tidligere gjennomsiktig optikk vist her skyldes laserindusert forurensning (LIC) etter eksponering for en UV-laser. Bildekreditt: Med tillatelse fra Edmund Optics
Generelle eksperimentelle resultater
Forbrenningskammeret tillot parallelle isolasjonsstudier og en mer realistisk simulering av laseroptikkkomponenter som stråleutvideren. Innledende eksperimenter viste at gjengesmøremidler, anodisert aluminium og de nye Viton O-ringene er vanlige kilder til forurensning i UV-systemer i mange andre typer optiske sammenstillinger. Fjerning av disse faktorene kan forbedre levetiden til optikken som testes.
Viton O-ringer: Med nye, uåpnede O-ringer begynte transmittansen til brennkammervinduet å avta fire dager inn i testen og ble helt ugjennomsiktig etter syv dager. En melkehvit tåke dannet seg på de forurensede optiske overflatene etter testen (figur 4). Baking av O-ringene før bruk forhindret en viss grad av utgassing, noe som resulterte i et 6 % tap av overføring etter fem uker i stedet for et fullstendig tap av overføring etter en uke. Å plassere O-ringer i et vakuum eller la dem puste fritt i et rent miljø er like effektivt som å bake dem.
Anodisert aluminium: Anodiserte overflater inneholder porer som fanger opp forurensninger som kan frigjøres under bruk. I tillegg kan anodiserte materialer bli reaktive under UV-eksponering.
Rustfritt stål: Eksperimenter med renset rustfritt stål i stedet for anodisert aluminium observerte ikke signifikant nedbrytning etter syv uker.
Indium: Folietetninger av indium gir høyere motstand mot UV-tretthet sammenlignet med O-ringer.
Ytterligere eksperimenter ble utført for å teste hvordan temperaturen på optikken fremmer veksten av LIC, om daglig rengjøring hindrer oppbygging av forurensninger, og om blåsing av tørr luft over systemet har noen positiv effekt. Disse nye eksperimentene beveger seg forbi 355 nm UV-eksponering til 266 nm bølgelengdetesting.
Oppsummering
Å forstå og dempe UV-tretthet og LIC vil bli stadig viktigere ettersom mange lasersystemer har en tendens til å flytte til kortere bølgelengder for å utnytte høyere energi og høyere oppløsning. Eksperimentelle resultater ved 355 nm har vist at LIC kan gjøre UV-laseroptikk fullstendig ugjennomsiktig på så lite som en uke hvis konvensjonelle O-ringer og anodisert aluminium brukes i systemet. Heldigvis kan disse effektene reduseres betydelig ved å erstatte O-ringene med indiumtetninger, erstatte det anodiserte aluminiumet med rustfritt stål, og gjøre omgivelsene så rene som mulig. Når du utvikler et UV-lasersystem, snakk med optikkleverandøren din for å finne ut hvordan du kan gjøre systemet mer motstandsdyktig mot LIC og UV-tretthet som beskrevet i artikkelen.
