Slika 1: Mehanizmi poškodb, povzročenih z laserjem, ki se bistveno razlikujejo glede na lestvice trajanja impulza. Daljši impulzi, tudi tisti z nanosekundnim trajanjem, povzročajo poškodbe predvsem zaradi toplotnih učinkov. Ko se trajanje impulza skrajša na femtosekundno časovno lestvico, absorpcija nosilca in nelinearni učinki postanejo primarni mehanizmi poškodb.
Ker se laserska tehnologija še naprej razvija, mora tudi optika izpolnjevati zahtevne specifikacije, potrebne za visoko natančne aplikacije. Moč ultrahitrih laserjev je revolucionirala medicinske postopke, mikrostrojno obdelavo, temeljne znanstvene raziskave in mnoga druga področja. Za industrije in aplikacije, v katerih so prej prevladovali nanosekundni laserji, uvedba ultrahitrih laserjev predstavlja številne izzive, vključno z bistveno različnimi pragovi laserskih poškodb za optične komponente. Da bi zagotovili učinkovitost in dolgo življenjsko dobo laserskih sistemov, je ključnega pomena razumevanje razlik v pragovih laserske poškodbe glede na nanosekundno in femtosekundno trajanje impulza ter razloge zanje.
Prag laserske poškodbe (LDT), včasih imenovan tudi prag lasersko povzročene poškodbe (LIDT), je ključni parameter, ki ga je treba oceniti pri izbiri optike za kateri koli laserski sistem. ISO 21254 definira LDT kot "največjo količino laserskega sevanja incidenta na optičnem elementu, za katerega se domneva, da obstaja verjetnost, da poškoduje ničelni element ...". Ta definicija se zdi dovolj preprosta, vendar je dejanska vrednost LDT odvisna od vrste dejavnikov, ki niso narave samega optičnega elementa. Zlasti LDT optičnega elementa se lahko spreminja za več vrst velikosti, če se ocenjuje pri nanosekundnem (10-9s) trajanju impulza v primerjavi s femtosekundnim (10-15s). Ta velika razlika izhaja iz zelo različnih mehanizmov laserske poškodbe, ki se pojavijo v teh različnih časovnih lestvicah (glej sliko 1).
Nanosekundni laserski mehanizmi poškodb
V nasprotju s femtosekundnimi impulzi dolgi impulzi nanosekundnih laserjev povzročajo poškodbe optičnih komponent predvsem zaradi termičnih mehanizmov. Laser odloži veliko količino energije v material optičnega elementa, kar sproži lokalizirano segrevanje znotraj mesta vpadanja laserja. To segrevanje lahko povzroči neposredno taljenje ali pa povzroči nekatere strukturne spremembe zaradi toplotnega raztezanja in posledične mehanske obremenitve. Ta napetost lahko povzroči razpoke ali celo povzroči popolno ločitev prevleke od podlage.
Poleg neposrednega segrevanja materiala prevleke je optika pod nanosekundnim laserskim obsevanjem še posebej občutljiva na napake v prevleki. Te napake delujejo kot majhni strelovodi v optični prevleki, saj imajo veliko višjo stopnjo absorpcije kot njihova okolica. Posledično se ta okvarjena področja veliko hitreje segrejejo in v primeru katastrofalne poškodbe laserja lahko te napake eksplodirajo iz prevleke. Ta drastičen mehanizem poškodb običajno pusti kraterje na površini optike, pa tudi delce, ki se ponovno odložijo na površini takoj po poškodbi (glejte sliko 2).
Slika 2: Laserska poškodba, ki jo povzroči 532nnosekundni impulzni laser. To poškodbo je povzročila napaka v prevleki optičnega elementa, kar je povzročilo kraterje in ponovno odložene delce na površini elementa.
Ker ta okvarjena mesta sprožijo lasersko poškodbo, večja kot je prisotnost defektov, nižji je LDT običajno za dani optični element. Zato je pri optiki, ki se uporablja z nanosekundnimi laserji, poudarek na kakovosti površine optike. Poleg tega je testiranje LDT na nanosekundni časovni lestvici zelo statističen proces. Verjetnost poškodbe na kateri koli lokaciji na optični površini je posledica številnih povezanih dejavnikov, vključno z velikostjo vpadnega žarka, porazdelitvijo in gostoto lokacij napak ter inherentnimi lastnostmi materiala. Ti številni vplivi tudi pojasnjujejo, zakaj se lahko nanosekundne vrednosti LDT znatno razlikujejo med serijami istega premaza. Na LDT lahko vplivajo nedoslednosti pri poliranju in pripravi substrata, nihanja v dejanskem postopku nanašanja premaza in celo spremembe pogojev shranjevanja po premazu.
Različni vplivi na nanosekundni LDT so v nasprotju z glavnimi mehanizmi, ki so odgovorni za poškodbe femtosekundnega laserja, kar je predvsem povezano z uporabljenim premaznim materialom.
Mehanizmi poškodb femtosekundnega laserja
Ultrahitri impulzi femtosekundnih laserjev povzročajo škodo prek različnih mehanizmov, deloma zaradi zelo visoke konične moči, ki jo proizvedejo. Čeprav imajo nanosekundni in femtosekundni laserji enako energijo impulza, je lahko konična moč femtosekundnega laserskega impulza približno milijonkrat večja kot pri nanosekundnem laserju zaradi krajšega trajanja impulza femtosekundnega laserja. Ti visokointenzivni laserski impulzi lahko neposredno vzbudijo elektrone iz valenčnega pasu v prevodni pas. Tudi če je energija fotona vpadnega laserskega impulza nižja od tega skoka (znanega kot materialna vrzel), je najvišja fluenca ultrahitrega laserskega impulza tako visoka, da lahko elektroni absorbirajo več kot en foton hkrati. Ta nelinearni mehanizem je znan kot večfotonska ionizacija in je pogosta pot poškodb v ultrahitri laserski optiki.
Tunelska ionizacija je lahko tudi pot poškodbe pri femtosekundnem laserskem obsevanju. Do tega pojava pride, ko ultrahitri laserski impulz ustvari zelo močno električno polje, ki je tako močno, da vpadno električno polje dejansko popači energijo v prevodnem pasu, kar omogoča elektronom prehod skozi valenčni pas. Ko je dovolj elektronov vzbujenih v prevodnem pasu, začne vpadno sevanje spajati energijo neposredno v proste elektrone, kar povzroči razpad materiala prevleke.
Zaradi teh poti poškodb je femtosekundni LDT bolj determinističen kot nanosekundni LDT. Laserska poškodba se v bistvu "vklopi" pri določeni vhodni fluenci femtosekundnega laserja, ki je sorazmerna z razmakom prevlečenega materiala dielektrične prevleke. To je v nasprotju z verjetnostno naravo nanosekundne laserske poškodbe (glej sliko 3).
Slika Slika 3: Rezultati testa LDT, dobljeni pri 4ns (levo) in 48fs (desno) impulznih pogojih. Ravni naklon krivulje nanosekundne poškodbe odraža verjetnostno naravo meritev, medtem ko oster premik proti 100-odstotni verjetnosti poškodbe odraža deterministični mehanizem femtosekundne laserske poškodbe.
V nasprotju z nanosekundno lasersko poškodbo je pomembno upoštevati, da toplotni učinki ne vplivajo na LDT optičnega elementa na femtosekundni časovni skali. To je zato, ker je trajanje ultrahitrega laserskega impulza dejansko hitrejše od časovni obseg toplotne difuzije znotraj strukture materiala. Posledično femtosekundni impulzi ne odlagajo energije kot toplote v material prevleke in zato ne ustvarjajo toplotnega raztezanja in mehanske napetosti, kot to počnejo nanosekundni laserski impulzi. Natančno zaradi teh razlogov so ultrahitri laserji izjemno koristni v številnih aplikacijah, ki zahtevajo visoko natančno rezanje in označevanje, na primer pri izdelavi kardiovaskularnih stentov.
Izbira prave optike
Tako kot njihovo trajanje impulza se lahko tipične vrednosti LDT za nanosekundne in femtosekundne impulze razlikujejo za več velikosti. Pri merjenju z impulzom 100 fs je lahko vrednost LDT običajnega laserskega zrcala približno 0,2 J/cm2; pri merjenju s 5 ns impulzom pa je LDT optike lahko bližje 10 J/cm2. Te različne vrednosti so lahko na začetku zaskrbljujoče, vendar le kažejo na zelo različne mehanizme poškodb na teh časovnih skalah.
Iz istega razloga je potrebna posebna previdnost pri uporabi kalkulatorjev LDT na velikih časovnih lestvicah. Na splošno se LDT poveča, ko se trajanje impulza poveča. Toda prilagajanje vrednosti LDT iz prilagojenih femtosekundnih impulzov v prilagojene nanosekundne impulze ali iz prilagojenih nanosekundnih impulzov v prilagojene femtosekundne impulze bo verjetno povzročilo poškodbe optike. Najboljša praksa je, da izberete optiko z ustrezno oceno LDT, ki je čim bližje vašim dejanskim pogojem uporabe (vključno z valovno dolžino, frekvenco ponavljanja in trajanjem impulza).
Povzetek
Laserska tehnologija se bo še naprej razvijala, da bo zadostila potrebam po večji natančnosti. Ko se te nove tehnologije oblikujejo, bo razumevanje razlik v mehanizmih laserskih poškodb (in katera poškodba prevladuje v dani časovni lestvici) postalo vedno bolj pomembno pri izbiri prave optike za aplikacije v resničnem svetu. Razumevanje teh razlik ne bo le izboljšalo učinkovitosti in življenjske dobe laserskih sistemov v uporabi, temveč bo omogočilo tudi brezhibno prilagajanje naprednejšim laserskim sistemom prihodnosti.
