Figura 1: Mekkaniżmi ta 'ħsara kkawżati mill-lejżer li jvarjaw b'mod sinifikanti fuq skali ta' tul tal-polz. Pulses itwal, inklużi dawk b'tul ta 'nanosecond, jikkawżaw ħsara primarjament permezz ta' effetti termali. Hekk kif it-tul tal-polz jonqos għall-iskala tal-ħin tal-femtosecond, l-assorbiment tat-trasportatur u l-effetti mhux lineari jsiru l-mekkaniżmi ta 'ħsara primarji.
Hekk kif it-teknoloġija tal-lejżer tkompli tevolvi, l-ottika għandha wkoll tilħaq l-ispeċifikazzjonijiet eżiġenti meħtieġa għal applikazzjonijiet ta 'preċiżjoni għolja. Il-qawwa tal-lejżers ultrafast irrevoluzzjonat il-proċeduri mediċi, il-mikromagni, ir-riċerka xjentifika bażika, u ħafna oqsma oħra. Għal industriji u applikazzjonijiet li qabel kienu ddominati minn lejżers nanosekondi, l-adozzjoni ta 'lejżers ultraveloċi tippreżenta għadd ta' sfidi, inklużi limiti ta 'ħsara tal-lejżer differenti b'mod sinifikanti għal komponenti ottiċi. Biex tiġi żgurata l-effiċjenza u l-lonġevità tas-sistemi tal-lejżer, huwa kritiku li wieħed jifhem id-differenzi fil-limiti tal-ħsara tal-lejżer fuq tul ta 'żmien tal-polz nanosecond u femtosecond u r-raġunijiet għalihom.
Il-limitu tal-ħsara tal-lejżer (LDT), xi kultant imsejjaħ il-limitu tal-ħsara kkawżata mill-lejżer (LIDT), huwa parametru ewlieni li għandu jiġi evalwat meta tagħżel l-ottika għal kwalunkwe sistema tal-lejżer. ISO 21254 jiddefinixxi l-LDT bħala "l-ammont massimu ta 'radjazzjoni tal-lejżer. inċident fuq element ottiku li huwa preżunt li għandu probabbiltà li jagħmel ħsara lill-element ta’ żero...”. Din id-definizzjoni tidher sempliċi biżżejjed, iżda l-valur LDT attwali jiddependi fuq varjetà ta 'fatturi minbarra n-natura tal-element ottiku innifsu. B'mod partikolari, l-LDT ta' element ottiku jista' jvarja b'diversi ordnijiet ta' kobor meta jiġi evalwat f'tul ta' żmien tal-impuls nanosecond (10-9s) kontra femtosecond (10-15s). Din id-differenza kbira ġejja mill-mekkaniżmi ta 'ħsara tal-lejżer differenti ħafna li jseħħu fuq dawn l-iskali ta' ħin differenti (ara l-Figura 1).
Mekkaniżmi ta 'ħsara tal-lejżer nanosecond
B'kuntrast mal-impulsi femtosekondi, il-impulsi twal ta 'lejżers nanosekondi jikkawżaw ħsara lill-komponenti ottiċi primarjament permezz ta' mekkaniżmi termali. Il-lejżer jiddepożita ammont kbir ta 'enerġija fil-materjal tal-element ottiku, li jqajjem tisħin lokalizzat fis-sit tal-inċidenza tal-lejżer. Dan it-tisħin jista 'jwassal direttament għal tidwib, jew jista' jikkawża xi bidliet strutturali permezz ta 'espansjoni termali u stress mekkaniku li jirriżulta. Dan l-istress jista 'jkompli jikkawża qsim jew saħansitra jwassal għal separazzjoni sħiħa tal-kisi mis-sottostrat.
Minbarra t-tisħin dirett tal-materjal tal-kisi, l-ottiki taħt l-irradjazzjoni bil-lejżer nanosekondi huma partikolarment sensittivi għal difetti fil-kisi. Dawn id-difetti jaġixxu bħal vireg tas-sajjetti żgħar fi ħdan il-kisja ottika, peress li għandhom rata ta 'assorbiment ħafna ogħla mill-madwar tagħhom. Bħala riżultat, dawn ir-reġjuni difettużi jisħnu ħafna aktar malajr, u fil-każ ta 'ħsara katastrofika tal-laser, dawn id-difetti jistgħu jisplodu barra mill-kisja. Dan il-mekkaniżmu ta 'ħsara drastika tipikament iħalli kraters fuq il-wiċċ ta' l-ottika, kif ukoll xi materja partikulata li terġa 'tiddepożita fuq il-wiċċ immedjatament wara l-avveniment tal-ħsara (ara Figura 2).
Figura 2: Ħsara tal-lejżer prodotta minn laser pulsat nanosekondi 532nm. Din il-ħsara kienet ikkawżata minn difett fil-kisi tal-element ottiku, li rriżulta f'kraters u materja partikulata depożitata mill-ġdid fuq il-wiċċ tal-element.
Minħabba li dawn is-siti ta 'difetti jibdew ħsara tal-lejżer, iktar ma tkun għolja l-preżenza ta' difetti, iktar ikun baxx l-LDT tipikament għal element ottiku partikolari. Għalhekk, għall-ottika użata mal-lejżers nanosekondi, l-enfasi hija fuq il-kwalità tal-wiċċ tal-ottika. Barra minn hekk, l-ittestjar LDT fuq l-iskala tal-ħin nanosecond huwa proċess statistiku ħafna. Il-probabbiltà ta 'ħsara fi kwalunkwe post partikolari fuq wiċċ ottiku hija dovuta għal ħafna fatturi relatati, inkluż id-daqs tar-raġġ inċidentali, id-distribuzzjoni u d-densità tal-postijiet tad-difetti, u l-proprjetajiet inerenti tal-materjal. Dawn l-influwenzi multipli jispjegaw ukoll għaliex il-valuri tan-nanosekondi LDT jistgħu jvarjaw b'mod sinifikanti bejn lottijiet ta 'l-istess kisi.
L-influwenzi varji fuq in-nanosecond LDT jikkuntrastaw mal-mekkaniżmi ewlenin responsabbli għall-ħsara tal-laser femtosecond, li hija primarjament relatata mal-materjal tal-kisi applikat.
Mekkaniżmi tal-Ħsara tal-Laser Femtosecond
Impuls ultraveloċi ta 'lejżers femtosecond jikkawżaw ħsara permezz ta' mekkaniżmi differenti, parzjalment minħabba l-ogħla qawwa għolja ħafna li jipproduċu. Anki jekk lejżers nanosecond u femtosecond għandhom l-istess enerġija tal-polz, l-ogħla qawwa ta 'polz tal-laser femtosecond tista' tkun madwar miljun darba ogħla minn dik ta 'laser nanosecond minħabba t-tul tal-polz iqsar ta' laser femtosecond. Dawn il-polz tal-lejżer ta 'intensità għolja huma kapaċi li jeċitaw direttament elettroni mill-faxxa ta' valenza sal-faxxa tal-konduzzjoni. Anki jekk l-enerġija tal-foton tal-polz tal-laser inċidentali hija aktar baxxa minn din il-qabża (magħrufa bħala l-faxxa tal-materjal), il-fluwenza massima tal-polz tal-laser ultraveloċi hija tant għolja li l-elettroni jistgħu jassorbu aktar minn foton wieħed kull darba. Dan il-mekkaniżmu mhux lineari huwa magħruf bħala jonizzazzjoni multifoton u huwa passaġġ ta 'ħsara komuni fl-ottika tal-laser ultraveloċi.
L-jonizzazzjoni tal-mini tista 'wkoll tkun mogħdija ta' ħsara fl-irradjazzjoni bil-laser femtosecond. Dan il-fenomenu jseħħ meta l-polz tal-laser ultraveloċi jiġġenera kamp elettriku qawwi ħafna li huwa tant qawwi li l-kamp elettriku inċidentali fil-fatt jgħawweġ l-enerġija fil-faxxa tal-konduzzjoni, li tippermetti li l-elettroni jgħaddu mill-faxxa ta 'valenza. Ladarba biżżejjed elettroni jkunu ġew eċċitati fil-faxxa tal-konduzzjoni, ir-radjazzjoni inċidentali tibda tgħaqqad l-enerġija direttament fl-elettroni ħielsa, li tirriżulta fit-tqassim tal-materjal tal-kisi.
Minħabba dawn il-mogħdijiet ta 'ħsara, femtosecond LDT huwa aktar deterministiku minn nanosecond LDT. Il-ħsara tal-lejżer hija essenzjalment "mixgħula" f'ċertu influwenza tad-dħul tal-laser femtosecond, li hija proporzjonali mal-bandgap tal-materjal tal-kisi dielettriku miksi. Dan jikkuntrasta man-natura probabilistika tal-ħsara tal-lejżer nanosekondi (ara l-Figura 3).
Immaġni Figura 3: Riżultati tat-test LDT miksuba f'kundizzjonijiet tal-polz 4ns (xellug) u 48fs (lemin). L-inklinazzjoni ċatta tal-kurva tal-ħsara nanosecond tirrifletti n-natura probabilistika tal-kejl, filwaqt li ċ-ċaqliq qawwi lejn il-probabbiltà ta 'ħsara ta' 100% tirrifletti l-mekkaniżmu deterministiku tal-ħsara tal-laser femtosecond.
B'kuntrast mal-mogħdija tal-ħsara tal-laser nanosecond, huwa importanti li wieħed jinnota li l-effetti termali ma jaffettwawx l-LDT ta 'element ottiku fuq l-iskala tal-ħin femtosecond. skala ta 'żmien ta' diffużjoni termali fi ħdan l-istruttura tal-materjal. Bħala riżultat, impulsi femtosecond ma jiddepożitawx enerġija bħala sħana fil-materjal tal-kisi, u għalhekk ma jiġġenerawx espansjoni termali u stress mekkaniku kif jagħmlu l-impulsi tal-laser nanosecond. Għal dawn ir-raġunijiet eżatti, lejżers ultraveloċi huma estremament vantaġġużi f'ħafna applikazzjonijiet li jeħtieġu qtugħ u mmarkar ta 'preċiżjoni għolja, bħal fil-manifattura ta' stents kardjovaskulari.
Tagħżel l-ottika t-tajba
Bħat-tul tal-polz tagħhom, il-valuri LDT tipiċi għall-impulsi nanosecond u femtosecond jistgħu jvarjaw b'diversi ordnijiet ta 'kobor. Meta mkejjel b'polz ta' 100 fs, il-valur LDT ta' mera ordinarja tal-lejżer jista' jkun ta' madwar 0.2 J/cm2; madankollu, meta mkejla b'polz ta '5 ns, l-LDT tal-ottika jista' jkun eqreb għal 10 J/cm2 Dawn il-valuri differenti jistgħu jkunu inkwetanti għall-ewwel, iżda huma biss indikattivi tal-mekkaniżmi differenti ħafna ta 'ħsara fuq dawn l-iskali ta' ħin.
Għall-istess raġuni, għandha tingħata attenzjoni żejda meta jintużaw kalkolaturi LDT fuq skali ta 'żmien kbar. B'mod ġenerali, l-LDT jikber hekk kif it-tul tal-polz jiżdied. Iżda l-aġġustament tal-valur LDT minn impulsi femtosecond adattati għal impulsi nanosekondi adattati, jew minn impulsi nanosekondi adattati għal impulsi femtosekondi adattati, x'aktarx li jirriżulta fi ħsara lill-ottika. Hija l-aħjar prattika li tagħżel ottika bi klassifikazzjoni LDT xierqa li tinkiseb kemm jista 'jkun qrib il-kundizzjonijiet attwali tal-applikazzjoni tiegħek (inkluż wavelength, frekwenza ta' ripetizzjoni, u tul tal-polz).
Sommarju
It-teknoloġija tal-lejżer se tkompli tevolvi biex tissodisfa l-ħtieġa għal preċiżjoni akbar. Hekk kif dawn it-teknoloġiji ġodda jieħdu forma, il-fehim tad-differenzi fil-mekkaniżmi tal-ħsara tal-lejżer (u liema ħsara tiddomina fuq skala ta 'żmien partikolari) se ssir dejjem aktar importanti fl-għażla tal-ottika t-tajba għal applikazzjonijiet tad-dinja reali. Il-fehim ta 'dawn id-differenzi mhux biss se jtejjeb l-effiċjenza u l-ħajja tas-sistemi tal-lejżer fl-użu, iżda se jippermetti wkoll adattament bla xkiel għal sistemi tal-laser aktar avvanzati tal-futur.
