1. ábra: Lézer-indukált károsodási mechanizmusok, amelyek jelentősen eltérnek az impulzustartam skálákon. A hosszabb impulzusok, beleértve a nanoszekundumos időtartamúakat is, elsősorban hőhatásokon keresztül okoznak károkat. Ahogy az impulzus időtartama a femtoszekundumos időskálára rövidül, a hordozóabszorpció és a nemlineáris hatások az elsődleges károsodási mechanizmusokká válnak.
A lézertechnológia fejlődésével párhuzamosan az optikának is meg kell felelnie a nagy pontosságú alkalmazásokhoz szükséges követelményeknek. Az ultragyors lézerek ereje forradalmasította az orvosi eljárásokat, a mikromegmunkálást, a tudományos alapkutatást és sok más területet. A korábban a nanoszekundumos lézerek által dominált iparágak és alkalmazások számára az ultragyors lézerek alkalmazása számos kihívást jelent, beleértve az optikai alkatrészek lényegesen eltérő lézerkárosodási küszöbértékeit. A lézerrendszerek hatékonyságának és hosszú élettartamának biztosítása érdekében kritikus fontosságú a nanoszekundumos és femtoszekundumos impulzus időtartama alatti lézerkárosodási küszöbök közötti különbségek és ezek okainak megértése.
A lézerkárosodás küszöbértéke (LDT), amelyet néha lézer által kiváltott károsodási küszöbnek (LIDT) is neveznek, olyan kulcsfontosságú paraméter, amelyet minden lézerrendszer optikájának kiválasztásakor értékelni kell. Az ISO 21254 szerint az LDT a "lézersugárzás maximális mennyisége" olyan optikai elemre esik, amelyről feltételezhető, hogy a nulla elem károsodásának valószínűsége...". Ez a meghatározás elég egyszerűnek tűnik, de a tényleges LDT-érték az optikai elem természetén kívül számos tényezőtől függ. Különösen egy optikai elem LDT-je több nagyságrenddel változhat, ha nanoszekundumos (10-9s) versus femtoszekundumos (10-15s) impulzusidőtartam mellett értékelik. Ez a nagy különbség a nagyon eltérő lézersérülési mechanizmusokból ered, amelyek ezeken a különböző időskálákon fordulnak elő (lásd az 1. ábrát).
Nanoszekundumos lézersérülési mechanizmusok
A femtoszekundumos impulzusokkal ellentétben a nanoszekundumos lézerek hosszú impulzusai elsősorban termikus mechanizmusokon keresztül károsítják az optikai komponenseket. A lézer nagy mennyiségű energiát rak le az optikai elem anyagába, ami helyi felmelegedést vált ki a lézer beesésének helyén. Ez a melegítés közvetlenül olvadáshoz vezethet, vagy szerkezeti változást okozhat a hőtágulás és az ebből eredő mechanikai igénybevétel révén. Ez a feszültség tovább repedést okozhat, vagy akár a bevonat teljes leválasztásához is vezethet az aljzattól.
A bevonóanyag közvetlen melegítésén túl a nanoszekundumos lézersugárzás alatti optika különösen érzékeny a bevonat hibáira. Ezek a hibák kis villámhárítóként működnek az optikai bevonatban, mivel sokkal nagyobb abszorpciós sebességük, mint a környezetükben. Emiatt ezek a hibás területek sokkal gyorsabban felmelegszenek, és katasztrofális lézerkárosodás esetén ezek a hibák felrobbanhatnak a bevonatból. Ez a drasztikus károsodási mechanizmus jellemzően krátereket hagy az optika felületén, valamint bizonyos részecskéket, amelyek közvetlenül a káresemény után újra lerakódnak a felszínen (lásd a 2. ábrát).
2. ábra: 532 nm-es nanoszekundumos impulzuslézer által okozott lézerkárosodás. Ezt a károsodást az optikai elem bevonatának hibája okozta, ami krátereket és az elem felületén újra lerakódott részecskéket eredményezett.
Mivel ezek a hibahelyek lézersérülést okoznak, minél nagyobb a hibák jelenléte, annál alacsonyabb az LDT jellemzően egy adott optikai elemre. Ezért a nanoszekundumos lézerekkel használt optikánál a hangsúly az optika felületi minőségén van. Ezenkívül a nanoszekundumos időskálán végzett LDT-tesztelés erősen statisztikai folyamat. Az optikai felület bármely pontján a sérülés valószínűsége számos kapcsolódó tényezőtől függ, beleértve a beeső sugár méretét, a hibahelyek eloszlását és sűrűségét, valamint a benne rejlő anyagtulajdonságokat. Ezek a többszörös hatások azt is megmagyarázzák, hogy a nanoszekundumos LDT-értékek miért változhatnak jelentősen ugyanannak a bevonatnak a tételei között. Az LDT-t befolyásolhatják a szubsztrátum polírozásának és előkészítésének inkonzisztenciái, a tényleges bevonat lerakási folyamatának ingadozásai, és még a bevonat utáni tárolási körülmények változása is.
A nanoszekundumos LDT-re gyakorolt különböző hatások ellentétben állnak a femtoszekundumos lézerkárosodásért felelős fő mechanizmusokkal, amelyek elsősorban az alkalmazott bevonóanyaggal kapcsolatosak.
Femtoszekundumos lézersérülési mechanizmusok
A femtoszekundumos lézerek ultragyors impulzusai különböző mechanizmusokon keresztül okoznak károkat, részben az általuk előállított nagyon magas csúcsteljesítmény miatt. Annak ellenére, hogy a nanoszekundumos és femtoszekundumos lézerek impulzusenergiája azonos, a femtoszekundumos lézerimpulzus csúcsteljesítménye körülbelül egymilliószor nagyobb lehet, mint egy nanoszekundumos lézeré, a femtoszekundumos lézer rövidebb impulzusideje miatt. Ezek a nagy intenzitású lézerimpulzusok képesek közvetlenül gerjeszteni elektronokat a vegyértéksávból a vezetési sávba. Még ha a beeső lézerimpulzus fotonenergiája kisebb is, mint ez az ugrás (az anyagi sávrés), az ultragyors lézerimpulzus csúcsfluensája olyan nagy, hogy az elektronok egyszerre több fotont is elnyelhetnek. Ezt a nemlineáris mechanizmust többfoton-ionizációnak nevezik, és gyakori károsodási út az ultragyors lézeroptikában.
A femtoszekundumos lézeres besugárzás során az alagút-ionizáció is károsodási útvonal lehet. Ez a jelenség akkor fordul elő, amikor az ultragyors lézerimpulzus nagyon erős elektromos mezőt hoz létre, amely olyan erős, hogy a beeső elektromos tér valójában torzítja a vezetési sávban lévő energiát, ami lehetővé teszi az elektronok számára, hogy alagútban haladjanak át a vegyértéksávon. Miután elegendő elektront gerjesztettek a vezetési sávba, a beeső sugárzás elkezdi az energiát közvetlenül a szabad elektronokhoz kapcsolni, ami a bevonóanyag lebomlását eredményezi.
Ezen károsodási útvonalak miatt a femtoszekundumos LDT determinisztikusabb, mint a nanoszekundumos LDT. A lézersérülés lényegében a femtoszekundumos lézer bizonyos bemeneti áramlásánál „bekapcsol”, ami arányos a bevont dielektromos bevonóanyag sávszélességével. Ez ellentétben áll a nanoszekundumos lézerkárosodás valószínűségi természetével (lásd a 3. ábrát).
Image 3. ábra: 4ns (balra) és 48fs (jobbra) impulzusviszonyok mellett kapott LDT-teszt eredményei. A nanoszekundumos sérülési görbe lapos meredeksége a mérések valószínűségi jellegét tükrözi, míg a 100%-os károsodási valószínűség felé történő éles eltolódás a femtoszekundumos lézerkárosodás determinisztikus mechanizmusát tükrözi.
A nanoszekundumos lézersérülési útvonaltól eltérően fontos megjegyezni, hogy a hőhatások nem befolyásolják az optikai elem LDT értékét a femtoszekundumos időskálán. Ennek az az oka, hogy az ultragyors lézerimpulzus időtartama valójában gyorsabb, mint a az anyagszerkezeten belüli hődiffúzió időskálája. Ennek eredményeként a femtoszekundumos impulzusok nem adnak le energiát hőként a bevonóanyagban, és ezért nem generálnak hőtágulást és mechanikai feszültséget, mint a nanoszekundumos lézerimpulzusok. Pontosan ezen okok miatt az ultragyors lézerek rendkívül előnyösek számos olyan alkalmazásban, amelyek nagy pontosságú vágást és jelölést igényelnek, mint például a szív- és érrendszeri sztentek gyártása során.
A megfelelő optika kiválasztása
Az impulzusok időtartamához hasonlóan a nanoszekundumos és femtoszekundumos impulzusok tipikus LDT értékei több nagyságrenddel eltérhetnek. 100 fs impulzussal mérve egy közönséges lézertükör LDT-értéke körülbelül 0,2 J/cm2 lehet; 5 ns-os impulzussal mérve azonban az optika LDT-je közelebb lehet a 10 J/cm2-hez. Ezek az eltérő értékek eleinte aggasztóak lehetnek, de pusztán a nagyon eltérő károsodási mechanizmusokra utalnak ezen az időskálán.
Ugyanezen okból fokozott elővigyázatossággal kell eljárni az LDT-kalkulátorok nagy időskálán történő használatakor. Általában az LDT az impulzus időtartamának növekedésével nő. De ha az LDT értéket adaptált femtoszekundumos impulzusokról adaptált nanoszekundumos impulzusokra, vagy adaptált nanoszekundumos impulzusokról adaptált femtoszekundumos impulzusokra állítja, valószínűleg az optika károsodását okozza. A legjobb gyakorlat egy megfelelő LDT-besorolású optikát választani, amely a lehető legközelebb van az aktuális alkalmazási feltételekhez (beleértve a hullámhosszt, az ismétlési frekvenciát és az impulzus időtartamát).
Összegzés
A lézertechnológia tovább fog fejlődni, hogy megfeleljen a nagyobb pontosság iránti igénynek. Ahogy ezek az új technológiák formálódnak, a lézersérülési mechanizmusok különbségeinek megértése (és az, hogy egy adott időskálán melyik sérülés dominál) egyre fontosabbá válik a valós alkalmazásokhoz megfelelő optika kiválasztásában. E különbségek megértése nemcsak a használatban lévő lézerrendszerek hatékonyságát és élettartamát javítja, hanem lehetővé teszi a zökkenőmentes alkalmazkodást a jövő fejlettebb lézerrendszereihez.
