Slika 1: Laserski inducirani mehanizmi oštećenja koji se značajno razlikuju na skalama trajanja impulsa. Duži impulsi, uključujući i one s trajanjem nanosekunde, uzrokuju oštećenja prvenstveno zbog termičkih efekata. Kako se trajanje impulsa skraćuje na vremensku skalu femtosekunde, apsorpcija nosioca i nelinearni efekti postaju primarni mehanizmi oštećenja.
Kako laserska tehnologija nastavlja da se razvija, tako i optika mora ispuniti zahtjevne specifikacije potrebne za primjenu visoke preciznosti. Snaga ultrabrzih lasera revolucionirala je medicinske procedure, mikromašinsku obradu, osnovna naučna istraživanja i mnoga druga polja. Za industrije i aplikacije u kojima su ranije dominirali nanosekundni laseri, usvajanje ultrabrzih lasera predstavlja brojne izazove, uključujući značajno različite pragove oštećenja lasera za optičke komponente. Da bi se osigurala efikasnost i dugovečnost laserskih sistema, ključno je razumjeti razlike u pragovima laserskog oštećenja u trajanju od nanosekunde i femtosekunde i razloge za njih.
Prag laserskog oštećenja (LDT), koji se ponekad naziva i prag oštećenja izazvanog laserom (LIDT), ključni je parametar koji treba procijeniti prilikom odabira optike za bilo koji laserski sistem. ISO 21254 definira LDT kao "maksimalna količina laserskog zračenja incident na optički element za koji se pretpostavlja da ima vjerovatnoću da ošteti element od nule...". Ova definicija izgleda dovoljno jednostavna, ali stvarna LDT vrijednost zavisi od niza faktora osim prirode samog optičkog elementa. Konkretno, LDT optičkog elementa može varirati za nekoliko redova veličine kada se procijeni na nanosekundama (10-9s) u odnosu na femtosekunde (10-15s) trajanja impulsa. Ova velika razlika proizlazi iz veoma različitih mehanizama laserskog oštećenja koji se javljaju na ovim različitim vremenskim skalama (vidi sliku 1).
Nanosekundni laserski mehanizmi oštećenja
Za razliku od femtosekundnih impulsa, dugi impulsi nanosekundnih lasera uzrokuju oštećenje optičkih komponenti prvenstveno kroz termičke mehanizme. Laser taloži veliku količinu energije u materijal optičkog elementa, što pokreće lokalizirano zagrijavanje unutar mjesta upada lasera. Ovo zagrijavanje može dovesti direktno do topljenja ili može uzrokovati neke strukturne promjene kroz toplinsko širenje i rezultirajuće mehaničko naprezanje. Ovo naprezanje može dalje uzrokovati pucanje ili čak dovesti do potpunog odvajanja premaza od podloge.
Osim direktnog zagrijavanja materijala premaza, optika pod nanosekundnim laserskim zračenjem posebno je osjetljiva na defekte unutar premaza. Ovi defekti se ponašaju poput malih gromobrana unutar optičkog premaza, jer imaju mnogo veću stopu apsorpcije od njihove okoline. Kao rezultat toga, ove defektne regije se zagrijavaju mnogo brže, a u slučaju katastrofalnog laserskog oštećenja, ovi defekti mogu eksplodirati iz premaza. Ovaj mehanizam drastičnog oštećenja obično ostavlja kratere na površini optike, kao i neke čestice koje se ponovo talože na površini odmah nakon događaja oštećenja (vidi sliku 2).
Slika 2: Lasersko oštećenje izazvano impulsnim laserom od 532 nm nanosekunde. Ovo oštećenje je uzrokovano defektom unutar prevlake optičkog elementa, što je rezultiralo kraterima i ponovno taloženim česticama na površini elementa.
Budući da ova mjesta defekta iniciraju lasersko oštećenje, što je veće prisustvo defekata, to je LDT tipično niži za dati optički element. Stoga, za optiku koja se koristi sa nanosekundnim laserima, fokus je na kvaliteti površine optike. Štaviše, LDT testiranje na nanosekundnoj vremenskoj skali je visoko statistički proces. Vjerojatnost oštećenja na bilo kojoj lokaciji na optičkoj površini posljedica je mnogih povezanih faktora, uključujući veličinu upadnog snopa, distribuciju i gustoću lokacija defekata i svojstvena svojstva materijala. Ovi višestruki utjecaji također objašnjavaju zašto nanosekundne LDT vrijednosti mogu značajno varirati između serija istog premaza. Na LDT mogu uticati nedosljednosti u poliranju i pripremi podloge, fluktuacije u stvarnom procesu nanošenja premaza, pa čak i promjene u uvjetima skladištenja nakon nanošenja premaza.
Različiti utjecaji na nanosekundni LDT su u suprotnosti s glavnim mehanizmima odgovornim za oštećenje femtosekundnog lasera, što se prvenstveno odnosi na naneseni materijal premaza.
Mehanizmi oštećenja femtosekundnog lasera
Ultrabrzi impulsi femtosekundnih lasera uzrokuju oštećenja kroz različite mehanizme, dijelom zbog vrlo velike vršne snage koju proizvode. Iako nanosekundni i femtosekundni laser imaju istu energiju impulsa, vršna snaga femtosekundnog laserskog impulsa može biti oko milion puta veća od one nanosekundnog lasera zbog kraćeg trajanja impulsa femtosekundnog lasera. Ovi laserski impulsi visokog intenziteta su sposobni da direktno pobuđuju elektrone iz valentnog pojasa u provodni pojas. Čak i ako je energija fotona upadnog laserskog impulsa niža od ovog skoka (poznatog kao materijalni pojas pojasa), vršni fluens ultrabrzog laserskog impulsa je toliko visok da elektroni mogu apsorbirati više od jednog fotona u isto vrijeme. Ovaj nelinearni mehanizam poznat je kao višefotonska jonizacija i čest je put oštećenja u ultrabrzoj laserskoj optici.
Ionizacija tunela također može biti put oštećenja kod femtosekundnog laserskog zračenja. Ovaj fenomen se događa kada ultrabrzi laserski puls generira vrlo jako električno polje koje je toliko jako da upadno električno polje zapravo iskrivljuje energiju u vodljivom pojasu, što omogućava elektronima da tuneliraju kroz valentni pojas. Jednom kada je dovoljno elektrona pobuđeno u vodljivom pojasu, upadno zračenje počinje spajati energiju direktno u slobodne elektrone, što rezultira raspadom materijala prevlake.
Zbog ovih puteva oštećenja, femtosekundni LDT je više deterministički nego nanosekundni LDT. Lasersko oštećenje se u suštini "uključuje" pri određenom ulaznom fluensu femtosekundnog lasera, koji je proporcionalan pojasnom razmaku materijala obloženog dielektričnog premaza. Ovo je u suprotnosti s vjerovatnoćom prirodom nanosekundnog laserskog oštećenja (vidi sliku 3).
Slika Slika 3: Rezultati LDT testa dobijeni pri 4ns (lijevo) i 48fs (desno) impulsnim uslovima. Ravni nagib krivulje nanosekundnog oštećenja odražava probabilističku prirodu mjerenja, dok oštar pomak prema 100% vjerovatnoći oštećenja odražava deterministički mehanizam femtosekundnog laserskog oštećenja.
Za razliku od nanosekundnog laserskog puta oštećenja, važno je napomenuti da termalni efekti ne utiču na LDT optičkog elementa na femtosekundnoj vremenskoj skali. To je zato što je trajanje ultrabrzog laserskog impulsa, u stvari, brže od vremenska skala toplinske difuzije unutar strukture materijala. Kao rezultat toga, femtosekundni impulsi ne talože energiju kao toplinu u materijal za oblaganje i stoga ne stvaraju toplinsko širenje i mehaničko naprezanje kao što to čine nanosekundni laserski impulsi. Upravo iz ovih razloga, ultrabrzi laseri su izuzetno korisni u mnogim aplikacijama koje zahtijevaju visoko precizno rezanje i označavanje, kao što je proizvodnja kardiovaskularnih stentova.
Odabir prave optike
Kao i njihova trajanja impulsa, tipične LDT vrijednosti za nanosekundne i femtosekundne impulse mogu se razlikovati za nekoliko redova veličine. Kada se mjeri sa impulsom od 100 fs, LDT vrijednost običnog laserskog ogledala može biti oko 0,2 J/cm2; međutim, kada se meri impulsom od 5 ns, LDT optike može biti bliži 10 J/cm2. Ove različite vrednosti u početku mogu biti zabrinjavajuće, ali one samo ukazuju na veoma različite mehanizme oštećenja na ovim vremenskim skalama.
Iz istog razloga, treba obratiti posebnu pažnju kada koristite LDT kalkulatore na velikim vremenskim skalama. Općenito, LDT postaje sve veći kako se trajanje impulsa povećava. Ali prilagođavanje LDT vrijednosti iz prilagođenih femtosekundnih impulsa na prilagođene nanosekundne impulse, ili iz prilagođenih nanosekundnih impulsa na prilagođene femtosekundne impulse, vjerovatno će dovesti do oštećenja optike. Najbolje je odabrati optiku s odgovarajućom LDT ocjenom koja se postiže što je moguće bliže vašim stvarnim uvjetima primjene (uključujući talasnu dužinu, frekvenciju ponavljanja i trajanje impulsa).
Rezime
Laserska tehnologija će nastaviti da se razvija kako bi zadovoljila potrebu za većom preciznošću. Kako se ove nove tehnologije oblikuju, razumijevanje razlika u mehanizmima oštećenja lasera (i koja oštećenja dominiraju u datoj vremenskoj skali) će postati sve važnije u odabiru prave optike za primjenu u stvarnom svijetu. Razumevanje ovih razlika ne samo da će poboljšati efikasnost i životni vek laserskih sistema u upotrebi, već će takođe omogućiti besprekornu adaptaciju na naprednije laserske sisteme budućnosti.
