Figur 1: Laser-inducerede skadesmekanismer, der adskiller sig væsentligt på pulsvarighedsskalaer. Længere pulser, inklusive dem med nanosekunders varighed, forårsager skade primært gennem termiske effekter. Efterhånden som pulsvarigheden forkortes til femtosekunds tidsskalaen, bliver bærerabsorption og ikke-lineære effekter de primære skadesmekanismer.
Efterhånden som laserteknologien fortsætter med at udvikle sig, skal optikken også for at opfylde de krævende specifikationer, der kræves til højpræcisionsapplikationer. Effekten af ultrahurtige lasere har revolutioneret medicinske procedurer, mikrobearbejdning, grundlæggende videnskabelig forskning og mange andre områder. For industrier og applikationer, der tidligere var domineret af nanosekundlasere, giver indførelsen af ultrahurtige lasere en række udfordringer, herunder væsentligt forskellige laserskadetærskler for optiske komponenter. For at sikre effektiviteten og levetiden af lasersystemer er det afgørende at forstå forskellene i laserskadetærskler over nanosekunds og femtosekunds pulsvarigheder og årsagerne til dem.
Laserskadetærsklen (LDT), nogle gange omtalt som den laserinducerede skadetærskel (LIDT), er en nøgleparameter, der skal evalueres, når der vælges optik til ethvert lasersystem. ISO 21254 definerer LDT som "den maksimale mængde laserstråling indfald på et optisk element, som formodes at have en sandsynlighed for at beskadige elementet på nul...". Denne definition virker simpel nok, men den faktiske LDT-værdi afhænger af en række andre faktorer end arten af selve det optiske element. Især kan LDT for et optisk element variere med flere størrelsesordener, når det evalueres ved nanosekunders (10-9s) versus femtosekunds (10-15s) pulsvarigheder. Denne store forskel stammer fra de meget forskellige laserskademekanismer, der opstår på disse forskellige tidsskalaer (se figur 1).
Nanosekund laserskademekanismer
I modsætning til femtosekundpulser forårsager de lange impulser af nanosekundlasere skade på optiske komponenter primært gennem termiske mekanismer. Laseren afsætter en stor mængde energi i materialet i det optiske element, hvilket udløser lokal opvarmning inden for laserindfaldsstedet. Denne opvarmning kan føre direkte til smeltning, eller den kan forårsage nogle strukturelle ændringer gennem termisk ekspansion og deraf følgende mekanisk belastning. Denne spænding kan fortsætte med at forårsage revner eller endda føre til fuldstændig adskillelse af belægningen fra underlaget.
Ud over den direkte opvarmning af belægningsmaterialet er optik under nanosekund laserbestråling særligt følsomme over for defekter i belægningen. Disse defekter virker som små lynafledere i den optiske belægning, da de har en meget højere absorptionshastighed end deres omgivelser. Som følge heraf opvarmes disse defekte områder meget hurtigere, og i tilfælde af katastrofale laserskader kan disse defekter eksplodere ud af belægningen. Denne drastiske skadesmekanisme efterlader typisk kratere på overfladen af optikken, såvel som noget partikelstof, der genaflejres på overfladen umiddelbart efter skadebegivenheden (se figur 2).
Figur 2: Laserskade produceret af en 532nm nanosekunders pulserende laser. Denne skade var forårsaget af en defekt i belægningen af det optiske element, hvilket resulterede i kratere og genaflejret partikler på overfladen af elementet.
Fordi disse defektsteder initierer laserskade, jo højere tilstedeværelsen af defekter er, jo lavere er LDT typisk for et givet optisk element. For optik brugt med nanosekundlasere er fokus derfor på optikkens overfladekvalitet. Desuden er LDT-test på nanosekunds tidsskala en yderst statistisk proces. Sandsynligheden for beskadigelse på et givet sted på en optisk overflade skyldes mange relaterede faktorer, herunder størrelsen af den indfaldende stråle, fordelingen og tætheden af defektplaceringer og iboende materialeegenskaber. Disse mange påvirkninger forklarer også, hvorfor nanosekunds LDT-værdier kan variere betydeligt mellem partier af den samme belægning.LDT kan blive påvirket af uoverensstemmelser i substratpolering og klargøring, fluktuationer i den faktiske belægningsafsætningsproces og endda ændringer i opbevaringsbetingelser efter belægning.
De forskellige påvirkninger på nanosekunds LDT står i kontrast til de vigtigste mekanismer, der er ansvarlige for femtosekundlaserskader, som primært er relateret til det påførte belægningsmateriale.
Femtosekund laserskademekanismer
Ultrahurtige pulser fra femtosekundlasere forårsager skade gennem forskellige mekanismer, delvist på grund af den meget høje spidseffekt, de producerer. Selvom nanosekund- og femtosekundlasere har den samme pulsenergi, kan spidseffekten af en femtosekundlaserpuls være omkring en million gange højere end den for en nanosekundlaser på grund af den kortere pulsvarighed af en femtosekundlaser. Disse højintensive laserimpulser er i stand til at excitere elektroner direkte fra valensbåndet til ledningsbåndet. Selv hvis fotonenergien af den indfaldende laserimpuls er lavere end dette spring (kendt som materialebåndgabet), er topfluensen af den ultrahurtige laserimpuls så høj, at elektroner kan absorbere mere end én foton ad gangen. Denne ikke-lineære mekanisme er kendt som multifotonionisering og er en almindelig skadesvej i ultrahurtig laseroptik.
Tunnelionisering kan også være en skadesvej i femtosekund laserbestråling. Dette fænomen opstår, når den ultrahurtige laserimpuls genererer et meget stærkt elektrisk felt, der er så stærkt, at det indfaldende elektriske felt faktisk forvrænger energien i ledningsbåndet, hvilket tillader elektroner at tunnelere gennem valensbåndet. Når nok elektroner er blevet exciteret ind i ledningsbåndet, begynder den indfaldende stråling at koble energien direkte ind i de frie elektroner, hvilket resulterer i nedbrydning af belægningsmaterialet.
På grund af disse skadesveje er femtosekund LDT mere deterministisk end nanosekund LDT. Laserbeskadigelse er i det væsentlige "tændt" ved en vis inputfluens fra femtosekundlaseren, som er proportional med båndgabet af det coatede dielektriske coatingmateriale. Dette står i kontrast til den sandsynlige natur af nanosekund laserskade (se figur 3).
Billede Figur 3: LDT-testresultater opnået ved 4ns (venstre) og 48fs (højre) pulsforhold. Den flade hældning af nanosekundskadekurven afspejler målingernes sandsynlighedsbeskaffenhed, mens det skarpe skift mod 100 % skadessandsynlighed afspejler den deterministiske mekanisme for femtosekundlaserskader.
I modsætning til nanosekunds laserskadesvej er det vigtigt at bemærke, at termiske effekter ikke påvirker LDT af et optisk element på femtosekunds tidsskalaen. Dette skyldes, at varigheden af en ultrahurtig laserpuls faktisk er hurtigere end tidsskala for termisk diffusion inden for materialestrukturen. Som et resultat afsætter femtosekundimpulser ikke energi som varme i belægningsmaterialet og genererer derfor ikke termisk ekspansion og mekanisk stress, som nanosekundlaserimpulser gør. Af disse præcise årsager er ultrahurtige lasere ekstremt fordelagtige i mange applikationer, der kræver højpræcisionsskæring og -mærkning, såsom ved fremstilling af kardiovaskulære stenter.
Valg af den rigtige optik
Ligesom deres pulsvarigheder kan de typiske LDT-værdier for nanosekund- og femtosekundpulser variere med flere størrelsesordener. Når det måles med en 100 fs puls, kan LDT-værdien af et almindeligt laserspejl være omkring 0,2 J/cm2; Men når det måles med en 5 ns puls, kan optikkens LDT være tættere på 10 J/cm2. Disse forskellige værdier kan være bekymrende i starten, men de er blot en indikation af de meget forskellige skadesmekanismer på disse tidsskalaer.
Af samme grund bør der udvises ekstra forsigtighed ved brug af LDT-beregnere på store tidsskalaer. Generelt bliver LDT større, efterhånden som pulsvarigheden øges. Men justering af LDT-værdien fra tilpassede femtosekundpulser til tilpassede nanosekundpulser eller fra tilpassede nanosekundpulser til tilpassede femtosekundpulser vil sandsynligvis resultere i skader på optikken. Det er bedste praksis at vælge en optik med en passende LDT-klassificering, der opnås så tæt som muligt på dine faktiske anvendelsesforhold (herunder bølgelængde, gentagelsesfrekvens og pulsvarighed).
Oversigt
Laserteknologi vil fortsætte med at udvikle sig for at imødekomme behovet for større præcision. Efterhånden som disse nye teknologier tager form, vil forståelsen af forskellene i laserskademekanismer (og hvilke skader der dominerer på en given tidsskala) blive stadig vigtigere for at vælge den rigtige optik til anvendelser i den virkelige verden. Forståelse af disse forskelle vil ikke kun forbedre effektiviteten og levetiden af lasersystemer i brug, men vil også give mulighed for problemfri tilpasning til fremtidens mere avancerede lasersystemer.
