Joonis 1: Laser-indutseeritud kahjustusmehhanismid, mis erinevad oluliselt impulsi kestuse skaaladel. Pikemad impulsid, sealhulgas nanosekundilise kestusega impulsid, põhjustavad kahjustusi peamiselt termiliste mõjude kaudu. Kuna impulsi kestus lüheneb femtosekundilise ajaskaalani, muutuvad kandja neeldumine ja mittelineaarsed mõjud peamisteks kahjustusmehhanismideks.
Kuna lasertehnoloogia areneb edasi, peab ka optika vastama ülitäpsete rakenduste jaoks vajalikele nõudlikele spetsifikatsioonidele. Ülikiirete laserite võimsus on muutnud revolutsiooni meditsiiniprotseduurides, mikrotöötluses, teaduse alusuuringutes ja paljudes muudes valdkondades. Tööstusharudes ja rakendustes, kus varem domineerisid nanosekundilised laserid, on ülikiirete laserite kasutuselevõtt mitmeid väljakutseid, sealhulgas optiliste komponentide märkimisväärselt erinevad laserkahjustuse läved. Lasersüsteemide tõhususe ja pikaealisuse tagamiseks on ülioluline mõista nanosekundiliste ja femtosekundiliste impulsside kestuse laserkahjustuste lävede erinevusi ja nende põhjuseid.
Laseri kahjustuse lävi (LDT), mida mõnikord nimetatakse laseri poolt põhjustatud kahjustuse künniseks (LIDT), on peamine parameeter, mida tuleb hinnata optika valimisel mis tahes lasersüsteemi jaoks. ISO 21254 määratleb LDT kui "laserkiirguse maksimaalse koguse langeb optilisele elemendile, mille puhul eeldatakse, et selle elemendi kahjustamise tõenäosus on null...". See määratlus tundub piisavalt lihtne, kuid tegelik LDT väärtus sõltub paljudest teguritest peale optilise elemendi enda olemuse. Eelkõige võib optilise elemendi LDT erineda mitme suurusjärgu võrra, kui seda hinnatakse nanosekundi (10-9 s) ja femtosekundi (10-15 s) impulsi kestusega. See suur erinevus tuleneb väga erinevatest laserkahjustuste mehhanismidest, mis esinevad nendel erinevatel ajaskaaladel (vt joonis 1).
Nanosekundilise laseri kahjustusmehhanismid
Erinevalt femtosekundilistest impulssidest põhjustavad nanosekundiliste laserite pikad impulsid optiliste komponentide kahjustusi peamiselt termiliste mehhanismide kaudu. Laser ladestab optilise elemendi materjali suurel hulgal energiat, mis käivitab laseri langemiskohas lokaalse kuumenemise. See kuumutamine võib viia otseselt sulamiseni või põhjustada mõningaid struktuurseid muutusi soojuspaisumise ja sellest tuleneva mehaanilise pinge tõttu. See pinge võib põhjustada pragunemist või isegi viia katte täieliku eraldumiseni aluspinnast.
Lisaks kattematerjali otsesele kuumutamisele on nanosekundilise laserkiirguse all olev optika eriti tundlik katte defektide suhtes. Need defektid toimivad nagu väikesed piksevardad optilise katte sees, kuna neil on palju suurem neeldumiskiirus kui nende ümbrus. Selle tulemusena kuumenevad need defektsed piirkonnad palju kiiremini ja katastroofilise laserkahjustuse korral võivad need defektid kattekihist välja plahvatada. See drastiline kahjustusmehhanism jätab tavaliselt optika pinnale kraatrid ja mõned tahked osakesed, mis ladestuvad pinnale kohe pärast kahjustust (vt joonis 2).
Joonis 2: 532 nm nanosekundilise impulsslaseriga tekitatud laserkahjustus. Selle kahjustuse põhjustas optilise elemendi katte defekt, mille tulemuseks olid kraatrid ja tahkete osakeste uuesti sadestumine elemendi pinnale.
Kuna need defektikohad tekitavad laserkahjustusi, siis mida suurem on defektide olemasolu, seda madalam on LDT tavaliselt antud optilise elemendi puhul. Seetõttu on nanosekundiliste laseritega kasutatava optika puhul keskendutud optika pinnakvaliteedile. Lisaks on LDT testimine nanosekundi ajaskaalal väga statistiline protsess. Kahjustuse tõenäosus optilise pinna mis tahes kohas on tingitud paljudest seotud teguritest, sealhulgas langeva kiire suurusest, defektide asukohtade jaotusest ja tihedusest ning materjali omadustest. Need mitmesugused mõjud selgitavad ka seda, miks nanosekundilised LDT väärtused võivad sama katte partiide lõikes oluliselt erineda. LDT-d võivad mõjutada ebaühtlused aluspinna poleerimisel ja ettevalmistamisel, kõikumised tegelikus kattekihi sadestamisprotsessis ja isegi muutused katmisjärgsetes säilitustingimustes.
Erinevad mõjud nanosekundilisele LDT-le on vastuolus peamiste mehhanismidega, mis põhjustavad femtosekundi laserkahjustusi, mis on peamiselt seotud rakendatava kattematerjaliga.
Femtosekundilised laserkahjustuste mehhanismid
Femtosekundiliste laserite ülikiired impulsid põhjustavad kahjustusi erinevate mehhanismide kaudu, osaliselt nende tekitatava väga suure tippvõimsuse tõttu. Kuigi nanosekundi- ja femtosekundilaseritel on sama impulsienergia, võib femtosekundilise laserimpulsi tippvõimsus femtosekundilise laseri lühema impulsi kestuse tõttu olla umbes miljon korda suurem kui nanosekundilisel laseril. Need suure intensiivsusega laserimpulsid on võimelised elektrone valentsribalt juhtivusribale otse ergutama. Isegi kui langeva laserimpulsi footoni energia on sellest hüppest madalam (tuntud kui materjali ribalaius), on ülikiire laserimpulsi tippvoovus nii suur, et elektronid suudavad neelata korraga rohkem kui ühe footoni. Seda mittelineaarset mehhanismi tuntakse mitme fotoni ionisatsioonina ja see on ülikiire laseroptika tavaline kahjustuste rada.
Tunneli ionisatsioon võib olla ka femtosekundilise laserkiirguse kahjustus. See nähtus ilmneb siis, kui ülikiire laserimpulss tekitab väga tugeva elektrivälja, mis on nii tugev, et langev elektriväli tegelikult moonutab juhtivusriba energiat, mis võimaldab elektronidel läbi valentsriba tunneldada. Kui juhtivusriba on ergastatud piisavalt elektrone, hakkab langev kiirgus siduma energiat otse vabade elektronidega, mille tulemuseks on kattematerjali lagunemine.
Nende kahjustusteede tõttu on femtosekundiline LDT deterministlikum kui nanosekundiline LDT. Laseri kahjustused on sisuliselt "sisse lülitatud" femtosekundilise laseri teatud sisendvoogu juures, mis on võrdeline kaetud dielektrilise kattematerjali ribalaiusega. See on vastuolus nanosekundiliste laserkahjustuste tõenäosusliku olemusega (vt joonis 3).
Pilt Joonis 3: LDT testi tulemused, mis saadi 4ns (vasakul) ja 48fs (paremal) impulsi tingimustes. Nanosekundilise kahjustuse kõvera tasane kalle peegeldab mõõtmiste tõenäosuslikku olemust, samas kui järsk nihe 100% kahjustuse tõenäosuse suunas peegeldab femtosekundilise laserkahjustuse deterministlikku mehhanismi.
Erinevalt nanosekundilise laseri kahjustuste rajast on oluline märkida, et termilised efektid ei mõjuta optilise elemendi LDT-d femtosekundi ajaskaalal. Selle põhjuseks on asjaolu, et ülikiire laserimpulsi kestus on tegelikult kiirem kui termilise difusiooni ajaskaala materjali struktuuris. Selle tulemusena ei ladesta femtosekundilised impulsid energiat soojusena kattematerjali ega tekita seetõttu soojuspaisumist ega mehaanilist pinget, nagu seda teevad nanosekundilised laserimpulssid. Nendel põhjustel on ülikiired laserid äärmiselt kasulikud paljudes rakendustes, mis nõuavad ülitäpset lõikamist ja märgistamist, näiteks kardiovaskulaarsete stentide valmistamisel.
Õige optika valimine
Nagu nende impulsside kestused, võivad nanosekundiliste ja femtosekundiliste impulsside tüüpilised LDT väärtused erineda mitme suurusjärgu võrra. Kui mõõdetakse 100 fs impulsiga, võib tavalise laserpeegli LDT väärtus olla umbes 0,2 J/cm2; 5 ns impulsiga mõõdetuna võib optika LDT olla lähemal 10 J/cm2 Need erinevad väärtused võivad alguses olla murettekitavad, kuid need viitavad vaid väga erinevatele kahjustuste mehhanismidele nendel ajaskaaladel.
Samal põhjusel tuleks LDT-kalkulaatorite suures ajaskaalas kasutamisel olla eriti ettevaatlik. Üldiselt muutub LDT impulsi kestuse pikenedes suuremaks. Kuid LDT väärtuse kohandamine kohandatud femtosekundilistest impulssidest kohandatud nanosekundilistele impulssidele või kohandatud nanosekundilistest impulssidest kohandatud femtosekundilistele impulssidele põhjustab tõenäoliselt optika kahjustamist. Parim tava on valida sobiva LDT reitinguga optika, mis on võimalikult lähedal teie tegelikele kasutustingimustele (sh lainepikkus, kordussagedus ja impulsi kestus).
Kokkuvõte
Lasertehnoloogia areneb jätkuvalt, et vastata suurema täpsuse vajadusele. Kuna need uued tehnoloogiad kujunevad, muutub laserkahjustuste mehhanismide erinevuste mõistmine (ja see, millised kahjustused teatud ajaskaalal domineerivad) reaalmaailma rakenduste jaoks õige optika valimisel üha olulisemaks. Nende erinevuste mõistmine ei paranda mitte ainult kasutatavate lasersüsteemide tõhusust ja eluiga, vaid võimaldab ka sujuvalt kohaneda tuleviku arenenumate lasersüsteemidega.
