Slika 1: Mehanizmi oštećenja izazvani laserom koji se značajno razlikuju na ljestvicama trajanja pulsa. Duži impulsi, uključujući one s nanosekundnim trajanjem, uzrokuju oštećenja prvenstveno toplinskim učincima. Kako se trajanje impulsa skraćuje na femtosekundnu vremensku skalu, apsorpcija nositelja i nelinearni učinci postaju primarni mehanizmi oštećenja.
Kako se laserska tehnologija nastavlja razvijati, tako i optika mora zadovoljiti zahtjevne specifikacije potrebne za visokoprecizne primjene. Snaga ultrabrzih lasera revolucionirala je medicinske postupke, mikrostrojnu obradu, osnovna znanstvena istraživanja i mnoga druga polja. Za industrije i primjene u kojima su prethodno dominirali nanosekundni laseri, usvajanje ultrabrzih lasera predstavlja brojne izazove, uključujući značajno različite pragove oštećenja lasera za optičke komponente. Kako bi se osigurala učinkovitost i dugovječnost laserskih sustava, ključno je razumjeti razlike u pragovima oštećenja lasera tijekom trajanja impulsa od nanosekunde i femtosekunde i razloge za njih.
Prag laserskog oštećenja (LDT), koji se ponekad naziva i prag laserski induciranog oštećenja (LIDT), ključni je parametar koji treba procijeniti pri odabiru optike za bilo koji laserski sustav. ISO 21254 definira LDT kao "maksimalnu količinu laserskog zračenja incident na optički element za koji se pretpostavlja da ima vjerojatnost oštećenja elementa nula...". Ova se definicija čini dovoljno jednostavnom, ali stvarna LDT vrijednost ovisi o nizu čimbenika osim prirode samog optičkog elementa. Konkretno, LDT optičkog elementa može varirati za nekoliko redova veličine kada se procjenjuje nanosekundno (10-9s) u odnosu na femtosekundno (10-15s) trajanje impulsa. Ova velika razlika proizlazi iz vrlo različitih mehanizama oštećenja lasera 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 oštećenja optičkih komponenti prvenstveno toplinskim mehanizmima. Laser odlaže veliku količinu energije u materijal optičkog elementa, što pokreće lokalizirano zagrijavanje unutar mjesta upadanja lasera. Ovo zagrijavanje može dovesti izravno do taljenja ili može uzrokovati neke strukturne promjene kroz toplinsko širenje i rezultirajuće mehaničko naprezanje. Ovaj stres može uzrokovati pucanje ili čak dovesti do potpunog odvajanja premaza od podloge.
Osim izravnog zagrijavanja materijala premaza, optika pod nanosekundnim laserskim zračenjem posebno je osjetljiva na nedostatke unutar premaza. Ovi nedostaci djeluju poput malih gromobrana unutar optičkog premaza, budući da imaju puno veću stopu apsorpcije od svoje okoline. Kao rezultat toga, ta oštećena područja se mnogo brže zagrijavaju, au slučaju katastrofalnog oštećenja lasera, ta oštećenja mogu eksplodirati iz premaza. Ovaj drastičan mehanizam oštećenja obično ostavlja kratere na površini optike, kao i neke čestice koje se ponovno talože na površini odmah nakon oštećenja (vidi sliku 2).
Slika 2: Lasersko oštećenje uzrokovano nanosekundnim pulsnim laserom od 532 nm. Oštećenje je uzrokovano defektom unutar premaza optičkog elementa, što je rezultiralo kraterima i ponovno taloženim česticama na površini elementa.
Budući da ta defektna mjesta izazivaju lasersko oštećenje, što je veća prisutnost defekata, LDT je tipično niži za određeni optički element. Stoga je za optiku koja se koristi s nanosekundnim laserima fokus na kvaliteti površine optike. Štoviše, LDT testiranje na vremenskoj skali nanosekunde vrlo je statistički proces. Vjerojatnost oštećenja na bilo kojem mjestu na optičkoj površini posljedica je mnogih povezanih čimbenika, uključujući veličinu upadne zrake, distribuciju i gustoću mjesta oštećenja i inherentna svojstva materijala. Ovi višestruki utjecaji također objašnjavaju zašto nanosekundne LDT vrijednosti mogu značajno varirati između serija istog premaza. Na LDT mogu utjecati nedosljednosti u poliranju i pripremi supstrata, fluktuacije u stvarnom procesu nanošenja premaza, pa čak i promjene u uvjetima skladištenja nakon premazivanja.
Različiti utjecaji na nanosekundni LDT u suprotnosti su s glavnim mehanizmima odgovornim za oštećenje femtosekundnog lasera, što je prvenstveno povezano s primijenjenim materijalom premaza.
Mehanizmi oštećenja femtosekundnog lasera
Ultrabrzi pulsevi femtosekundnih lasera uzrokuju oštećenja kroz različite mehanizme, dijelom zbog vrlo visoke vršne snage koju proizvode. Iako nanosekundni i femtosekundni laseri imaju istu energiju pulsa, vršna snaga femtosekundnog laserskog pulsa može biti oko milijun puta veća od snage nanosekundnog lasera zbog kraćeg trajanja pulsa femtosekundnog lasera. Ovi laserski impulsi visokog intenziteta mogu izravno pobuditi elektrone iz valentnog pojasa u vodljivi pojas. Čak i ako je energija fotona upadnog laserskog pulsa niža od ovog skoka (poznatog kao materijalni razmak), vršna fluenca ultrabrzog laserskog pulsa je toliko visoka da elektroni mogu apsorbirati više od jednog fotona odjednom. Ovaj nelinearni mehanizam poznat je kao višefotonska ionizacija i čest je put oštećenja u ultrabrzoj laserskoj optici.
Tunelska ionizacija također može biti put oštećenja u femtosekundnom laserskom zračenju. 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 omogućuje elektronima da prolaze kroz valentni pojas. Nakon što je dovoljno elektrona pobuđeno u vodljivom pojasu, upadno zračenje počinje sprezati energiju izravno u slobodne elektrone, što rezultira raspadom materijala premaza.
Zbog ovih putova oštećenja, femtosekundni LDT je više deterministički od nanosekundnog LDT-a. Lasersko oštećenje se u suštini "uključuje" pri određenoj ulaznoj fluenciji femtosekundnog lasera, koja je proporcionalna razmaku pojasa obloženog materijala dielektrične prevlake. To je u suprotnosti s vjerojatnosnom prirodom nanosekundnog laserskog oštećenja (vidi sliku 3).
Slika Slika 3: Rezultati LDT testa dobiveni pri uvjetima pulsa od 4ns (lijevo) i 48fs (desno). Ravni nagib nanosekundne krivulje oštećenja odražava probabilističku prirodu mjerenja, dok oštar pomak prema 100% vjerojatnosti oštećenja odražava deterministički mehanizam oštećenja femtosekundnog lasera.
Za razliku od nanosekundnog laserskog puta oštećenja, važno je napomenuti da toplinski učinci ne utječu na LDT optičkog elementa na femtosekundnoj vremenskoj skali. To je zato što je trajanje ultrabrzog laserskog pulsa zapravo brže od vremenska skala toplinske difuzije unutar strukture materijala. Kao rezultat toga, femtosekundni impulsi ne ostavljaju energiju kao toplinu u materijalu za oblaganje i stoga ne stvaraju toplinsko širenje i mehaničko naprezanje kao što to čine nanosekundni laserski impulsi. Upravo iz tih razloga, ultrabrzi laseri imaju izuzetnu prednost u mnogim primjenama koje zahtijevaju visoko precizno rezanje i označavanje, kao što je proizvodnja kardiovaskularnih stentova.
Odabir prave optike
Kao i njihovo trajanje impulsa, tipične LDT vrijednosti za nanosekundne i femtosekundne impulse mogu se razlikovati za nekoliko redova veličine. Kada se mjeri s pulsom od 100 fs, LDT vrijednost običnog laserskog zrcala može biti oko 0,2 J/cm2; međutim, kada se mjeri s pulsom od 5 ns, optički LDT može biti bliži 10 J/cm2. Ove različite vrijednosti mogu isprva biti zabrinjavajuće, ali one su samo indikativne za vrlo različite mehanizme oštećenja na ovim vremenskim skalama.
Iz istog razloga treba biti posebno oprezan kada koristite LDT kalkulatore na velikim vremenskim skalama. Općenito, LDT postaje veći kako se povećava trajanje pulsa. Ali podešavanje LDT vrijednosti s prilagođenih femtosekundnih impulsa na prilagođene nanosekundne impulse ili s prilagođenih nanosekundnih impulsa na prilagođene femtosekundne impulse vjerojatno će dovesti do oštećenja optike. Najbolja je praksa odabrati optiku s odgovarajućom LDT ocjenom koja je što je moguće bliža vašim stvarnim uvjetima primjene (uključujući valnu duljinu, frekvenciju ponavljanja i trajanje impulsa).
Sažetak
Laserska tehnologija nastavit će se razvijati kako bi zadovoljila potrebu za većom preciznošću. Kako ove nove tehnologije poprimaju oblik, razumijevanje razlika u mehanizmima laserskih oštećenja (i koja oštećenja dominiraju na određenoj vremenskoj skali) postat će sve važnija u odabiru prave optike za stvarne primjene. Razumijevanje ovih razlika ne samo da će poboljšati učinkovitost i vijek trajanja laserskih sustava u upotrebi, već će također omogućiti besprijekornu prilagodbu naprednijim laserskim sustavima budućnosti.
