UV-laseroptik tenderar att ha en begränsad livslängd på grund av två huvudorsaker: laserinducerad kontaminering (LIC) och UV-trötthet.LIC orsakas av avsättning av oönskade material på optikens yta, medan UV-utmattning orsakas av kumulativ exponering för UV-ljus som resulterar i skador på optiken. Dessa två skadeprocesser försämrar det optiska elementets prestanda med tiden tills irreversibel skada orsakas.
Långtidsexperiment på 355 nm UV-laseroptik som används i olika miljöer har avslöjat viktiga insikter om källorna till kontaminering och trötthet, såväl som begränsningsstrategier och rengöringstekniker som kan återställa förorenad optik.
Vad är laserinducerad kontaminering (LIC)
Kontaminering av optiska element kan inträffa när UV-laserljus interagerar med partiklar, vattenånga, organiska ämnen och andra föroreningar i systemet. Dessa föroreningar kan komma från omgivande luft, optomekanisk utrustning och andra material i systemet. Även om begränsningsmetoder som luftning med torrt kväve hjälper, kan de fortfarande leda till LIC. All ansamling av partiklar kan skymma den optiska vägen, försämra komponentens funktion och potentiellt sänka laserskadströskeln för optiken.
Kondensering uppstår ofta på optiska ytor på grund av låg värmeledningsförmåga. Dessa kondenserade vattenmolekyler kan sedan interagera med lasern och ytmaterial för att initiera LIC. Dessutom leder gasemissioner och andra luftburna molekylära föroreningar ofta till kolbaserade avlagringar på optiska ytor. Trädliknande tillväxt av LIC kan observeras i figur 1.
Forskning utförd 2005 beskrev i detalj de olika laserinteraktioner som leder till LIC. Till exempel innebär ljusinducerad förkärnbildning ett molekylärt lager byggt upp på grund av den direkta interaktionen av UV-ljus med glasytan. Efter en tillräckligt lång exponering visades tätheten av denna uppbyggnad vara på mättade nivåer.
Interaktion med omgivande gaser kan också leda till avsättning av föroreningar. Fotonenergier vid UV-våglängder mindre än 400 nanometer börjar närma sig bindningsenergierna för vanliga molekyler (t.ex. O2, CO2, CO, N2, etc.). Detta gör att UV-ljus kan bryta ner några av dessa bindningar, vilket skapar andra joner och molekyler som kan förorena optiska ytor.
Vad är UV-trötthet?
Förutom miljöinducerad LIC är material som används för beläggningar och substrat känsliga för nedbrytning över tid på grund av processen med optisk utmattning, även om ljuskällans intensitet är under Laser Induced Damage Threshold (LIDT).
Begreppet UV-trötthet kan liknas vid att binda en bok. Även lätt användning kan leda till slitage. UV-utmattningsexperiment utförda av Edmund Optics har visat att UV-laserbestrålning under vissa förhållanden, såsom vakuum, kan leda till UV-utmattningseffekter. Det som skiljer LIC och UV-trötthet är att LIC är en kumulativ process, medan trötthet är förstörelsen av materialet, vilket resulterar i missfärgning eller andra inneboende förändringar, och möjligen till och med avlägsnande av materialet.
Två fenomen som bestämmer villkoren och mekanismerna för denna uppenbara minskning av optisk prestanda ligger under tröskelvärdet för enkelpulsskada i kortpulslaserregimen.
Den första mekanismen är baserad på modifiering av brytningsindex, vilket leder till en linseffekt som kan öka den lokaliserade ljusintensiteten på det optiska elementet.
Den andra mekanismen involverar bildandet av optiskt inducerade defekter genom bildandet av självfångade excitoner, vilket leder till ackumulering av absorptionscentra och förlust av optisk effektivitet.
Både LIC och optisk trötthet kan förekomma i lasrar vid synliga och infraröda våglängder, om än i mindre utsträckning. Den höga energin hos UV-fotoner gör dock dessa effekter vanligare i system som emitterar inom detta spektralområde.
UV-lasermarknaden har vuxit snabbt de senaste åren och förväntas ha en CAGR på 5,4% mellan 2022 och 2028, enligt analysföretaget MarketWatch3. Kraftfulla UV-lasrar har blivit ett nyckelelement i applikationer inklusive tryckning, medicin, mikrotillverkning, halvledarbearbetning och additiv tillverkning. LIC och UV-trötthet gör att prestandan hos dessa system försämras med tiden, vilket kräver periodiskt utbyte av deras optiska komponenter. Detta ökar avsevärt kostnaderna för att underhålla ett UV-lasersystem och minskar systemets effektivitet. En minskning av systemets LIDT kan också öka risken för katastrofala systemfel orsakade av laserinducerad skada (Figur 2).
Analyserar LIC och UV-trötthet
Experiment hjälper till att simulera nedbrytningsprocessen av optiska komponenter i UV-lasersystem, undersöka potentiella föroreningskällor och utforska olika korrigerande åtgärder. I en sådan studie genomfördes experiment för att analysera förändringar i LIC och optisk trötthet inducerad av UV-laserbestrålning med hjälp av en {{0}}nm, 10- till 20-nanosekundspulsad laser som emitterar ca. 0,6 millijoule per puls, med en stråldiameter på 0,6 mm. Det schematiska diagrammet för denna testbänk visas i fig. 3.
Brännboxens "förbränningskammare" består av flera antireflekterande fönster som simulerar hur ett UV-lasersystem påverkas, till exempel en strålexpander. Burn-boxen gör det möjligt att utföra isolerade experimentmiljöer parallellt. En halvvågsskiva och polarisationsstråldelarkub tillät kontroll av medeleffekten för varje optisk väg i experimentet. Ett matchat par energimätare mätte den genomsnittliga lasereffekten. Detta övervakade transmissionsförsämringen under tiden för utmattning och/eller kontaminering av den testade optiken.
Fig. 3. Schematisk beskrivning av UV-exponeringstestbädden utvecklad för att simulera nedbrytning av optiska element i UV-lasersystem, för att undersöka potentiella föroreningskällor och för att utforska olika korrigerande åtgärder. ar: antireflekterande fönster; fs: obelagt fönster med smält kiseldioxid; hr: högreflekterande spegel; hwp: halvvågsplatta; pbc: polarisationsstråldelarkub.
Experiment utfördes med dagliga och kontinuerliga mätningar. Dagliga mätningar innebar att höljet öppnades och en energimätare placerades vid var och en av mätpositionerna som visas i fig. 3, inklusive den position som vanligtvis innehåller stråltipparen, för en 3-minutsmätning. Kontinuerliga mätningar innebar att två energimätare placerades på andra mätpositioner än den position som normalt innehåller balktipparen. Energimätarna registrerade sedan medeleffekt var 30:e minut fram till nästa dagliga mätning. En miljökammare gjorde det möjligt att undersöka diskreta effekter av olika förhållanden, såsom vakuumförhållanden eller närvaro av gas. I slutet av varje experiment tillät ett differentiell interferenskontrastmikroskop forskare att se föroreningar på fönsterytan.
Figur 4. Den ogenomskinliga vita kontamineringen på tidigare transparent optik som visas här beror på laserinducerad kontaminering (LIC) efter exponering för en UV-laser. Bildkredit: med tillstånd av Edmund Optics
Allmänna experimentella resultat
Förbränningskammaren möjliggjorde parallella isoleringsstudier och en mer realistisk simulering av laseroptikkomponenter såsom strålexpandern. Inledande experiment visade att gängsmörjmedel, anodiserad aluminium och de nya Viton O-ringarna är vanliga källor till kontaminering i UV-system i många andra typer av optiska sammansättningar. Att ta bort dessa faktorer kan förbättra livslängden för den testade optiken.
Viton O-ringar: Med nya oöppnade O-ringar började förbränningskammarfönstrets transmittans minska fyra dagar in i testet och blev helt ogenomskinlig efter sju dagar. En mjölkvit dimma bildades på de kontaminerade optiska ytorna efter testet (Figur 4). Bakning av O-ringarna före användning förhindrade en viss grad av utgasning, vilket resulterade i en 6 % förlust av transmissionen efter fem veckor snarare än en fullständig förlust av transmissionen efter en vecka. Att placera O-ringar i ett vakuum eller låta dem andas fritt i en ren miljö är lika effektivt som att baka dem.
Anodiserad aluminium: Anodiserade ytor innehåller porer som fångar in föroreningar som kan släppas ut under användning. Dessutom kan anodiserade material bli reaktiva under UV-exponering.
Rostfritt stål: Experiment med rengjort rostfritt stål i stället för anodiserad aluminium observerade ingen signifikant nedbrytning efter sju veckor.
Indium: Folietätningar av indium ger högre motståndskraft mot UV-utmattning jämfört med O-ringar.
Ytterligare experiment genomfördes för att testa hur temperaturen i optiken främjar tillväxten av LIC, om daglig rengöring förhindrar ansamling av föroreningar och om blåsning av torr luft över systemet har någon positiv effekt. Dessa nya experiment går bortom 355 nm UV-exponering till 266 nm våglängdstestning.
Sammanfattande
Att förstå och mildra UV-trötthet och LIC kommer att bli allt viktigare eftersom många lasersystem tenderar att flytta till kortare våglängder för att utnyttja högre energi och högre upplösning. Experimentella resultat vid 355 nm har visat att LIC kan göra UV-laseroptik helt ogenomskinlig på så lite som en vecka om konventionella O-ringar och anodiserad aluminium används i systemet. Lyckligtvis kan dessa effekter mildras avsevärt genom att byta ut O-ringarna med indiumtätningar, ersätta det anodiserade aluminiumet med rostfritt stål och göra omgivningen så ren som möjligt. När du utvecklar ett UV-lasersystem, prata med din optikleverantör för att ta reda på hur du gör ditt system mer motståndskraftigt mot LIC och UV-trötthet enligt beskrivningen i artikeln.
