УВ ласерска оптика обично има ограничен животни век због два главна узрока: контаминације изазване ласером (ЛИЦ) и УВ замора. ЛИЦ је узрокован таложењем нежељених материјала на површини оптике, док је УВ замор узрокован кумулативним излагање УВ светлу које доводи до оштећења оптике. Ова два процеса оштећења деградирају перформансе оптичког елемента током времена све док се не изазове неповратна оштећења.
Дугорочни експерименти на УВ ласерској оптици од 355 нм која се користи у различитим окружењима открили су кључне увиде у изворе контаминације и умора, као и стратегије ублажавања и технике чишћења које могу обновити контаминирану оптику.
Шта је контаминација изазвана ласером (ЛИЦ)
До контаминације оптичких елемената може доћи када УВ ласерска светлост ступи у интеракцију са честицама, воденом паром, органским материјама и другим загађивачима у систему. Ови загађивачи могу доћи из амбијенталног ваздуха, оптомеханичке опреме и других материјала у систему. Иако методе ублажавања, као што је аерација сувим азотом, помажу, оне и даље могу довести до ЛИЦ. Свако накупљање честица може замаглити оптичку путању, деградирати функцију компоненте и потенцијално смањити праг ласерског оштећења оптике.
Често долази до кондензације на оптичким површинама због ниске топлотне проводљивости. Ови кондензовани молекули воде могу затим да ступе у интеракцију са ласерским и површинским материјалима да иницирају ЛИЦ. Поред тога, емисије гасова и други молекуларни загађивачи у ваздуху често доводе до наслага на бази угљеника на оптичким површинама. Раст ЛИЦ у облику дрвета може се посматрати на слици 1.
Истраживање спроведено 2005. године детаљно је описало различите ласерске интеракције које доводе до ЛИЦ-а. На пример, пренуклеација изазвана светлом укључује молекуларни слој који је изграђен услед директне интеракције УВ светлости са стакленом површином. Након довољно дугог излагања, показало се да је густина овог накупљања на засићеним нивоима.
Интеракција са околним гасовима такође може довести до таложења загађивача. Енергије фотона на УВ таласним дужинама мањим од 400 нанометара почињу да се приближавају енергијама везе уобичајених молекула (нпр. О2, ЦО2, ЦО, Н2, итд.). Ово омогућава УВ светлости да разбије неке од ових веза, стварајући друге јоне и молекуле који могу да контаминирају оптичке површине.
Шта је УВ замор?
Поред еколошки индукованог ЛИЦ-а, материјали који се користе за премазе и подлоге су подложни деградацији током времена због процеса оптичког замора, чак и ако је интензитет извора светлости испод прага оштећења изазваног ласером (ЛИДТ).
Концепт УВ замора може се упоредити са увезивањем књиге. Чак и лагана употреба може довести до хабања. Експерименти са УВ замором које је спровела Едмунд Оптицс показали су да под одређеним условима, као што је вакуум, УВ ласерско зрачење може довести до ефеката УВ замора. Карактеристика између ЛИЦ и УВ замора је да је ЛИЦ кумулативни процес, док је замор уништавање материјала, што доводи до промене боје или других суштинских промена, па чак и до уклањања материјала.
Два феномена који одређују услове и механизме овог очигледног смањења оптичких перформанси су испод прага оштећења једним импулсом у режиму кратког импулса.
Први механизам се заснива на модификацији индекса преламања, што доводи до ефекта сочива који може повећати локализовани интензитет светлости на оптичком елементу.
Други механизам подразумева формирање оптички индукованих дефеката кроз формирање самозаробљених екситона, што доводи до акумулације апсорпционих центара и губитка оптичке ефикасности.
И ЛИЦ и оптички замор се могу јавити у ласерима на видљивим и инфрацрвеним таласним дужинама, мада у мањој мери. Међутим, висока енергија УВ фотона чини ове ефекте чешћима у системима који емитују у овом спектралном опсегу.
Тржиште УВ ласера је брзо расло последњих година и очекује се да ће имати ЦАГР од 5,4% између 2022. и 2028. године, према истраживачкој фирми МаркетВатцх3. УВ ласери велике снаге постали су кључни елемент у апликацијама укључујући штампање, медицину, микрофабрикацију, обраду полупроводника и производњу адитива. ЛИЦ и УВ замор доводе до деградације перформанси ових система током времена, што захтева периодичну замену њихових оптичких компоненти. Ово значајно повећава трошкове одржавања УВ ласерског система и смањује ефикасност система. Смањење ЛИДТ система такође може повећати ризик од катастрофалног квара система узрокованог оштећењем изазваним ласером (Слика 2).
Анализа ЛИЦ и УВ замора
Експерименти помажу да се симулира процес деградације оптичких компоненти у УВ ласерским системима, истраже потенцијални извори контаминације и истраже различите корективне мере. У једној таквој студији, спроведени су експерименти за анализу промена у ЛИЦ-у и оптичког замора изазваног УВ ласерским зрачењем коришћењем {{0}}нм, 10- до 20-наносекундног пулсног ласера који емитује приближно 0.6 милиџула по импулсу, са пречником снопа од 0,6 мм. Шематски дијаграм овог испитног стола је приказан на слици 3.
Кутија за сагоревање "комора за сагоревање" састоји се од неколико антирефлексних прозора који симулирају утицај на УВ ласерски систем, као што је експандер зрака. Кутија за сагоревање омогућава паралелно извођење изолованих експерименталних окружења. Полуталасна плоча и коцка за раздвајање поларизационог снопа омогућили су контролу просечне снаге сваке оптичке путање у експерименту. Упарени пар мерача енергије мерио је просечну снагу ласера. Ово је пратило деградацију трансмисије током времена замора и/или контаминације тестиране оптике.
3. Шема тестног стола за излагање УВ зрачењу који је развијен да симулира деградацију оптичких елемената у УВ ласерским системима, да истражи потенцијалне изворе контаминације и да истражи различите корективне мере. ар: антирефлексни прозор; фс: необложени прозор од топљеног силицијум диоксида; хр: огледало високе рефлексије; хвп: полуталасна плоча; пбц: коцка разделника поларизационог снопа.
Експерименти су вршени дневним и континуираним мерењима. Дневна мерења су укључивала отварање кућишта и постављање мерача енергије на сваку од мерних позиција приказаних на слици 3, укључујући позицију која типично садржи кипер греде, за 3-минутно мерење. Континуирана мерења су укључивала постављање два мерача енергије на мерне позиције које нису оне на којима се иначе налази кипер за греду. Мерила су затим бележила просечну снагу сваких 30 минута до следећег дневног мерења. Еколошка комора је омогућила истраживање дискретних ефеката различитих услова, као што су услови вакуума или присуство гаса. На крају сваког експеримента, диференцијални интерферентни контрастни микроскоп омогућио је истраживачима да виде загађиваче на површини прозора.
Слика 4. Непрозирна бела контаминација на претходно провидној оптици приказана овде је последица контаминације изазване ласером (ЛИЦ) након излагања УВ ласеру. Кредит за слику: љубазношћу Едмунда Оптике
Општи експериментални резултати
Комора за сагоревање је омогућила паралелне студије изолације и реалистичнију симулацију компоненти ласерске оптике као што је експандер зрака. Почетни експерименти су показали да су мазива за навоје, анодизирани алуминијум и нови Витон О-прстенови уобичајени извори контаминације у УВ системима у многим другим типовима оптичких склопова. Уклањање ових фактора може побољшати животни век тестиране оптике.
Витон О-прстенови: Са новим, неотвореним О-прстеновима, пропустљивост прозора коморе за сагоревање је почела да се смањује четири дана након испитивања и постала је потпуно непрозирна након седам дана. На контаминираним оптичким површинама након теста формирала се млечно бела магла (слика 4). Печење О-прстенова пре употребе спречило је одређени степен испуштања гасова, што је резултирало губитком од 6% трансмисије након пет недеља, а не потпуним губитком трансмисије након једне недеље. Постављање О-прстенова у вакуум или пуштање да слободно дишу у чистом окружењу једнако је ефикасно као и њихово печење.
Анодизовани алуминијум: Анодизоване површине садрже поре које задржавају загађиваче који се могу ослободити током употребе. Поред тога, елоксирани материјали могу постати реактивни под УВ излагањем.
Нерђајући челик: Експерименти који су користили очишћени нерђајући челик уместо анодизованог алуминијума нису приметили значајну деградацију након седам недеља.
Индијум: Фолије од индијума пружају већу отпорност на УВ замор у поређењу са О-прстеновима.
Додатни експерименти су спроведени да би се тестирало како температура оптике подстиче раст ЛИЦ, да ли свакодневно чишћење спречава накупљање загађивача и да ли дување сувог ваздуха преко система има позитиван ефекат. Ови нови експерименти прелазе излагање УВ зрачењу од 355 нм на тестирање таласне дужине од 266 нм.
Резимирајући
Разумевање и ублажавање УВ замора и ЛИЦ-а ће постати све важније јер многи ласерски системи имају тенденцију да пређу на краће таласне дужине да би користили већу енергију и већу резолуцију. Експериментални резултати на 355 нм су показали да ЛИЦ може учинити УВ ласерску оптику потпуно непрозирном за само недељу дана ако се у систему користе конвенционални О-прстенови и анодизовани алуминијум. На срећу, ови ефекти се могу значајно ублажити заменом О-прстенова са индијумским заптивкама, заменом елоксираног алуминијума нерђајућим челиком и чинећи околину што чистијим. Када развијате УВ ласерски систем, разговарајте са својим добављачем оптике да бисте сазнали како да ваш систем учините отпорнијим на ЛИЦ и УВ замор, као што је описано у чланку.
