Рисунок 1: Механизмы повреждения, индуцированные лазером, которые существенно различаются по шкале длительности импульса. Более длинные импульсы, в том числе длительностью наносекунд, наносят ущерб в первую очередь за счет теплового воздействия. По мере того как длительность импульса сокращается до фемтосекундного масштаба времени, основными механизмами повреждения становятся поглощение носителей и нелинейные эффекты.
Поскольку лазерные технологии продолжают развиваться, оптика должна соответствовать строгим требованиям, необходимым для высокоточных приложений. Мощность сверхбыстрых лазеров произвела революцию в медицинских процедурах, микрообработке, фундаментальных научных исследованиях и многих других областях. Для отраслей и приложений, в которых ранее доминировали наносекундные лазеры, внедрение сверхбыстрых лазеров представляет собой ряд проблем, в том числе существенно отличающиеся пороги лазерного повреждения оптических компонентов. Чтобы обеспечить эффективность и долговечность лазерных систем, важно понимать различия в порогах лазерного повреждения при наносекундной и фемтосекундной длительности импульсов и их причины.
Порог лазерного повреждения (LDT), иногда называемый порогом лазерно-индуцированного повреждения (LIDT), является ключевым параметром, который необходимо оценивать при выборе оптики для любой лазерной системы. ISO 21254 определяет LDT как «максимальное количество лазерного излучения». падение на оптический элемент, который, как предполагается, имеет вероятность повреждения нулевого элемента...". Это определение кажется достаточно простым, но фактическое значение LDT зависит от множества факторов, помимо природы самого оптического элемента. В частности, LDT оптического элемента может варьироваться на несколько порядков при оценке длительности импульса наносекундной (10-9 с) или фемтосекундной ({3}} с). Эта большая разница обусловлена очень разными механизмами лазерного повреждения, которые происходят в разных временных масштабах (см. Рисунок 1).
Механизмы повреждения наносекундным лазером
В отличие от фемтосекундных импульсов, длинные импульсы наносекундных лазеров вызывают повреждение оптических компонентов преимущественно за счет тепловых механизмов. Лазер передает большое количество энергии в материал оптического элемента, что вызывает локальный нагрев в месте воздействия лазера. Этот нагрев может привести непосредственно к плавлению или вызвать некоторые структурные изменения из-за теплового расширения и возникающего в результате механического напряжения. Это напряжение может привести к растрескиванию или даже к полному отделению покрытия от подложки.
Помимо прямого нагрева материала покрытия, оптика под наносекундным лазерным облучением особенно чувствительна к дефектам внутри покрытия. Эти дефекты действуют как небольшие громоотводы внутри оптического покрытия, поскольку имеют гораздо более высокую скорость поглощения, чем их окружение. В результате эти дефектные участки нагреваются гораздо быстрее, а в случае катастрофического лазерного повреждения эти дефекты могут вырваться из покрытия. Этот механизм серьезного повреждения обычно оставляет кратеры на поверхности оптики, а также некоторые твердые частицы, которые повторно откладываются на поверхности сразу после повреждения (см. Рисунок 2).
Рисунок 2: Лазерное повреждение, вызванное наносекундным импульсным лазером с длиной волны 532 нм. Это повреждение было вызвано дефектом покрытия оптического элемента, который привел к образованию кратеров и переотложению твердых частиц на поверхности элемента.
Поскольку эти места дефектов инициируют лазерное повреждение, чем выше наличие дефектов, тем ниже обычно LDT для данного оптического элемента. Поэтому для оптики, используемой с наносекундными лазерами, основное внимание уделяется качеству поверхности оптики. Более того, тестирование LDT в наносекундном масштабе времени представляет собой высокостатистический процесс. Вероятность повреждения в любом месте оптической поверхности обусловлена многими взаимосвязанными факторами, включая размер падающего луча, распределение и плотность мест дефектов, а также присущие свойства материала. Эти многочисленные влияния также объясняют, почему наносекундные значения LDT могут значительно различаться между партиями одного и того же покрытия. На LDT могут влиять несоответствия в полировке и подготовке подложки, колебания в фактическом процессе нанесения покрытия и даже изменения в условиях хранения после нанесения покрытия.
Различные влияния на наносекундную ЛДТ контрастируют с основными механизмами, ответственными за повреждение фемтосекундного лазера, которое в первую очередь связано с нанесенным материалом покрытия.
Механизмы повреждения фемтосекундного лазера
Сверхбыстрые импульсы фемтосекундных лазеров вызывают повреждения по разным механизмам, отчасти из-за очень высокой пиковой мощности, которую они производят. Несмотря на то, что наносекундные и фемтосекундные лазеры имеют одинаковую энергию импульса, пиковая мощность фемтосекундного лазерного импульса может быть примерно в миллион раз выше, чем у наносекундного лазера, из-за более короткой длительности импульса фемтосекундного лазера. Эти мощные лазерные импульсы способны напрямую возбуждать электроны из валентной зоны в зону проводимости. Даже если энергия фотонов падающего лазерного импульса ниже этого скачка (известного как запрещенная зона материала), пиковая плотность энергии сверхбыстрого лазерного импульса настолько высока, что электроны могут поглощать более одного фотона за раз. Этот нелинейный механизм известен как многофотонная ионизация и является распространенным путем повреждения сверхбыстрой лазерной оптики.
Туннельная ионизация также может быть причиной повреждения при фемтосекундном лазерном облучении. Это явление возникает, когда сверхбыстрый лазерный импульс генерирует очень сильное электрическое поле, настолько сильное, что падающее электрическое поле фактически искажает энергию в зоне проводимости, что позволяет электронам туннелировать через валентную зону. Как только в зону проводимости попадает достаточное количество электронов, падающее излучение начинает передавать энергию непосредственно свободным электронам, что приводит к разрушению материала покрытия.
Из-за этих путей повреждения фемтосекундный LDT более детерминирован, чем наносекундный LDT. Лазерное повреждение по существу «включается» при определенной входной плотности энергии фемтосекундного лазера, которая пропорциональна запрещенной зоне материала диэлектрического покрытия. Это контрастирует с вероятностной природой наносекундного лазерного повреждения (см. рисунок 3).
Рисунок 3: Результаты испытаний LDT, полученные при длительности импульса 4 нс (слева) и 48 фс (справа). Плоский наклон кривой наносекундного повреждения отражает вероятностный характер измерений, а резкий сдвиг в сторону 100% вероятности повреждения отражает детерминированный механизм фемтосекундного лазерного повреждения.
В отличие от наносекундного пути лазерного повреждения, важно отметить, что тепловые эффекты не влияют на LDT оптического элемента в фемтосекундном масштабе времени. Это связано с тем, что длительность сверхбыстрого лазерного импульса фактически превышает длительность временной масштаб термодиффузии внутри структуры материала. В результате фемтосекундные импульсы не передают энергию в виде тепла в материал покрытия и, следовательно, не создают тепловое расширение и механическое напряжение, как это делают наносекундные лазерные импульсы. Именно по этим причинам сверхбыстрые лазеры чрезвычайно выгодны во многих приложениях, требующих высокоточной резки и маркировки, например, при производстве сердечно-сосудистых стентов.
Правильный выбор оптики
Как и длительность импульсов, типичные значения LDT для наносекундных и фемтосекундных импульсов могут различаться на несколько порядков. При измерении импульсом длительностью 100 фс значение ЛДР обычного лазерного зеркала может составлять около 0,2 Дж/см2; однако при измерении импульсом длительностью 5 нс LDT оптики может быть ближе к 10 Дж/см2. Эти разные значения поначалу могут вызывать беспокойство, но они просто указывают на очень разные механизмы повреждения в этих временных масштабах.
По той же причине следует проявлять особую осторожность при использовании калькуляторов LDT в больших временных масштабах. В общем, LDT увеличивается по мере увеличения длительности импульса. Но изменение значения LDT с адаптированных фемтосекундных импульсов на адаптированные наносекундные импульсы или с адаптированных наносекундных импульсов на адаптированные фемтосекундные импульсы, вероятно, приведет к повреждению оптики. Лучше всего выбирать оптику с соответствующим рейтингом LDT, который максимально приближен к реальным условиям применения (включая длину волны, частоту повторения и длительность импульса).
Краткое содержание
Лазерные технологии будут продолжать развиваться, чтобы удовлетворить потребность в большей точности. По мере формирования этих новых технологий понимание различий в механизмах лазерного повреждения (и того, какие повреждения преобладают в заданном временном масштабе) будет становиться все более важным при выборе правильной оптики для реальных приложений. Понимание этих различий не только повысит эффективность и срок службы используемых лазерных систем, но также позволит плавно адаптироваться к более совершенным лазерным системам будущего.
