Az UV lézeroptika általában korlátozott élettartammal rendelkezik két fő ok miatt: a lézer által kiváltott szennyeződés (LIC) és az UV-fáradás. A LIC-t a nem kívánt anyagok lerakódása okozza az optika felületén, míg az UV-fáradást a kumulatív UV-sugárzásnak való kitettség, ami az optikát károsítja. Ez a két károsodási folyamat idővel rontja az optikai elem teljesítményét, amíg visszafordíthatatlan károsodást nem okoz.
A különböző környezetekben használt 355 nm-es UV lézeroptikán végzett hosszú távú kísérletek kulcsfontosságú betekintést tártak fel a szennyeződés és a fáradtság forrásaiba, valamint a mérséklő stratégiákra és tisztítási technikákra, amelyek helyreállíthatják a szennyezett optikát.
Mi az a lézer által kiváltott szennyeződés (LIC)
Az optikai elemek szennyeződése akkor fordulhat elő, amikor az UV lézerfény kölcsönhatásba lép részecskékkel, vízgőzzel, szerves anyagokkal és más szennyeződésekkel a rendszerben. Ezek a szennyeződések származhatnak a környezeti levegőből, az optomechanikai berendezésekből és a rendszer egyéb anyagaiból. Bár a mérséklő módszerek, például a száraz nitrogénnel történő levegőztetés segítenek, mégis LIC-hez vezethetnek. Bármilyen részecskék felhalmozódása elhomályosíthatja az optikai utat, ronthatja az alkatrészek működését, és potenciálisan csökkentheti az optika lézeres sérülési küszöbét.
Az alacsony hővezetőképesség miatt gyakran kondenzáció lép fel az optikai felületeken. Ezek a kondenzált vízmolekulák azután kölcsönhatásba léphetnek a lézerrel és a felületi anyagokkal, hogy elindítsák a LIC-t. Ezenkívül a gázkibocsátás és egyéb molekuláris szennyeződések a levegőben gyakran vezetnek szénalapú lerakódásokhoz az optikai felületeken. Az 1. ábrán a LIC faszerű növekedése figyelhető meg.
A 2005-ben végzett kutatás részletesen leírta a LIC-hez vezető különféle lézerkölcsönhatásokat. Például a fény által indukált pre-nukleáció egy molekuláris réteget foglal magában, amely az UV-fény és az üvegfelület közötti közvetlen kölcsönhatás következtében épül fel. Megfelelően hosszú expozíció után ennek a felhalmozódásnak a sűrűsége telített szinten van.
A környező gázokkal való kölcsönhatás szennyeződések lerakódásához is vezethet. A 400 nanométernél kisebb UV hullámhosszú fotonenergiák kezdik megközelíteni a közös molekulák (pl. O2, CO2, CO, N2 stb.) kötési energiáit. Ez lehetővé teszi, hogy az UV-fény lebontsa e kötések egy részét, más ionokat és molekulákat hozva létre, amelyek beszennyezhetik az optikai felületeket.
Mi az UV-fáradás?
A környezet által kiváltott LIC mellett a bevonatokhoz és szubsztrátumokhoz használt anyagok idővel az optikai kifáradás folyamata miatt hajlamosak a degradációra, még akkor is, ha a fényforrás intenzitása a lézer okozta sérülési küszöb (LIDT) alatt van.
Az UV-fáradás fogalma egy könyv bekötéséhez hasonlítható. Még enyhe használat is kopáshoz és elhasználódáshoz vezethet. Az Edmund Optics által végzett UV-fáradási kísérletek kimutatták, hogy bizonyos körülmények között, például vákuum esetén az UV-lézeres besugárzás UV-fáradáshoz vezethet. A LIC és az UV-fáradás megkülönböztető jellemzője, hogy a LIC kumulatív folyamat, míg a kifáradás az az anyagot, ami elszíneződést vagy más belső változást, sőt esetleg az anyag eltávolítását is eredményezi.
Két olyan jelenség, amely meghatározza az optikai teljesítmény látszólagos csökkenésének feltételeit és mechanizmusait, az egyimpulzusos károsodási küszöb alatt van a rövid impulzusú lézeres üzemmódban.
Az első mechanizmus a törésmutató módosításán alapul, ami olyan lencsehatáshoz vezet, amely növelheti az optikai elem lokalizált fényintenzitását.
A második mechanizmus magában foglalja az optikailag indukált hibák kialakulását az önbefogott excitonok képződésén keresztül, ami az abszorpciós központok felhalmozódásához és az optikai hatékonyság elvesztéséhez vezet.
LIC és optikai kifáradás egyaránt előfordulhat a lézerekben látható és infravörös hullámhosszon, bár kisebb mértékben. Az UV-fotonok nagy energiája azonban gyakoribbá teszi ezeket a hatásokat az ebben a spektrumtartományban kibocsátó rendszerekben.
A MarketWatch3 kutatócég szerint az UV-lézerek piaca gyorsan nőtt az elmúlt években, és 2022 és 2028 között várhatóan 5,4%-os CAGR lesz. A nagy teljesítményű UV-lézerek kulcsfontosságú elemmé váltak az olyan alkalmazásokban, mint a nyomtatás, az orvostudomány, a mikrogyártás, a félvezető-feldolgozás és az additív gyártás. A LIC- és az UV-kifáradás miatt ezeknek a rendszereknek a teljesítménye idővel romlik, ami megköveteli optikai alkatrészeik időszakos cseréjét. Ez jelentősen megnöveli az UV lézerrendszer karbantartási költségeit és csökkenti a rendszer hatékonyságát. A rendszer LIDT-jének csökkenése növelheti a lézer által kiváltott károsodás okozta katasztrofális rendszermeghibásodás kockázatát is (2. ábra).
LIC és UV kifáradás elemzése
A kísérletek segítenek szimulálni az UV lézeres rendszerek optikai alkatrészeinek lebomlási folyamatát, feltárni a lehetséges szennyeződési forrásokat, és feltárni a különböző korrekciós intézkedéseket. Egy ilyen vizsgálatban kísérleteket végeztek az UV lézersugárzás által kiváltott LIC-változások és az optikai fáradtság változásának elemzésére, körülbelül {{0}}nm, 10--20-nanoszekundumos impulzuslézer segítségével. 0.6 millijoule impulzusonként, 0,6 mm-es nyalábátmérővel. Ennek a próbapadnak a sematikus diagramja a 3. ábrán látható.
Az égetődoboz „égőkamra” több tükröződésmentes ablakból áll, amelyek szimulálják az UV lézerrendszer hatását, például egy sugártágítót. A burn-box lehetővé teszi izolált kísérleti környezetek párhuzamos végrehajtását. A félhullámú lap és a polarizációs nyalábosztó kocka lehetővé tette az egyes optikai útvonalak átlagos teljesítményének szabályozását a kísérletben. Egy megfelelő pár energiamérő mérte az átlagos lézerteljesítményt. Ez nyomon követte az átvitel romlását a vizsgált optika kifáradása és/vagy szennyeződése során.
3. ábra: Az UV lézeres rendszerekben az optikai elemek leépülésének szimulálására, a lehetséges szennyeződési források vizsgálatára és a különböző korrekciós intézkedések feltárására kifejlesztett UV expozíciós tesztágy vázlata. ar: tükröződésmentes ablak; fs: bevonat nélküli olvasztott szilika ablak; hr: erősen tükröződő tükör; hwp: félhullámú lemez; pbc: polarizációs nyalábosztó kocka.
A kísérleteket napi és folyamatos mérésekkel végeztük. A napi mérések során felnyitották a házat, és egy-egy energiamérőt helyeztek el a 3. ábrán látható minden mérési pozícióban, beleértve azt a pozíciót is, amely általában tartalmazza a sugárbillentőt, 3-perces mérés céljából. A folyamatos mérések során két energiamérőt kellett elhelyezni a sugárbillentőt általában eltérő mérési helyeken. Az energiamérők ezután 30 percenként átlagos teljesítményt rögzítettek a következő napi mérésig. Egy környezeti kamra lehetővé tette a különféle körülmények, például a vákuumviszonyok vagy a gáz jelenlétének diszkrét hatásainak vizsgálatát. Minden kísérlet végén egy differenciális interferencia-kontraszt mikroszkóp segítségével a kutatók megtekinthették az ablak felületén lévő szennyeződéseket.
4. ábra. Az itt látható átlátszatlan fehér szennyeződés a korábban átlátszó optikán az UV lézerrel való expozíciót követő lézerrel indukált szennyeződés (LIC) következménye. A kép jóváírása: az Edmund Optics jóvoltából
Általános kísérleti eredmények
Az égéstér lehetővé tette a párhuzamos szigetelési vizsgálatokat és a lézeroptikai alkatrészek, például a sugártágító valósághűbb szimulációját. A kezdeti kísérletek azt mutatták, hogy a menetkenőanyagok, az eloxált alumínium és az új Viton O-gyűrűk gyakori szennyeződési források az UV-rendszerekben sok más típusú optikai egységben. Ezen tényezők eltávolítása javíthatja a vizsgált optika élettartamát.
Viton O-gyűrűk: Új, bontatlan O-gyűrűk esetén az égéstér ablakának áteresztőképessége a teszt után négy nappal csökkent, és hét nap után teljesen átlátszatlanná vált. A vizsgálat után a szennyezett optikai felületeken tejfehér köd keletkezett (4. ábra). Az O-gyűrűk használat előtti megsütése megakadályozta a gázkibocsátást, ami 6%-os átviteli veszteséget eredményezett öt hét után, nem pedig egy hét után a teljes átviteli veszteséget. Ha az O-gyűrűket vákuumba helyezzük, vagy hagyjuk őket szabadon lélegezni tiszta környezetben, az ugyanolyan hatékony, mint a sütés.
Eloxált alumínium: Az eloxált felületek pórusokat tartalmaznak, amelyek felfogják a használat során felszabaduló szennyeződéseket. Ezenkívül az eloxált anyagok UV-sugárzás hatására reaktívvá válhatnak.
Rozsdamentes acél: Az eloxált alumínium helyett tisztított rozsdamentes acéllal végzett kísérletek nem figyeltek meg jelentős lebomlást hét hét után.
Indium: Az indium fóliatömítések jobban ellenállnak az UV-fáradásnak, mint az O-gyűrűk.
További kísérleteket végeztek annak tesztelésére, hogy az optika hőmérséklete hogyan segíti elő a LIC növekedését, hogy a napi tisztítás megakadályozza-e a szennyeződések felhalmozódását, és van-e pozitív hatása a száraz levegő átfújásának a rendszerre. Ezek az új kísérletek túlmutatnak a 355 nm-es UV-expozíción és a 266 nm-es hullámhosszon.
Összegzés
Az UV-kifáradás és az LIC megértése és enyhítése egyre fontosabbá válik, mivel sok lézerrendszer hajlamos rövidebb hullámhosszra váltani, hogy nagyobb energiát és nagyobb felbontást használjon. A 355 nm-en végzett kísérleti eredmények azt mutatták, hogy a LIC akár egy hét alatt is teljesen átlátszatlanná tudja tenni az UV lézer optikát, ha hagyományos O-gyűrűket és eloxált alumíniumot használnak a rendszerben. Szerencsére ezek a hatások jelentősen mérsékelhetők, ha az O-gyűrűket indium tömítésekre cseréljük, az eloxált alumíniumot rozsdamentes acélra cseréljük, és a környezetet a lehető legtisztábbá tesszük. UV lézerrendszer fejlesztésekor beszéljen optika beszállítójával, hogy megtudja, hogyan teheti rendszerét ellenállóbbá a LIC és az UV kifáradás ellen a cikkben leírtak szerint.
