L'òptica làser UV tendeix a tenir una vida útil limitada a causa de dues causes principals: la contaminació induïda per làser (LIC) i la fatiga UV. La LIC és causada per la deposició de materials no desitjats a la superfície de l'òptica, mentre que la fatiga UV és causada per l'acumulació. exposició a la llum UV que provoca danys a l'òptica. Aquests dos processos de dany degraden el rendiment de l'element òptic amb el temps fins que es produeix un dany irreversible.
Els experiments a llarg termini amb òptiques làser UV de 355 nm utilitzades en diferents entorns han revelat coneixements clau sobre les fonts de contaminació i fatiga, així com estratègies de mitigació i tècniques de neteja que poden restaurar l'òptica contaminada.
Què és la contaminació induïda per làser (LIC)
La contaminació dels elements òptics es pot produir quan la llum làser UV interacciona amb partícules, vapor d'aigua, orgànics i altres contaminants del sistema. Aquests contaminants poden provenir de l'aire ambiental, equips optomecànics i altres materials del sistema. Tot i que els mètodes de mitigació com l'aireació amb nitrogen sec ajuden, encara poden conduir a LIC. Qualsevol acumulació de partícules pot enfosquir el camí òptic, degradar la funció dels components i, potencialment, reduir el llindar de dany del làser de l'òptica.
La condensació es produeix sovint a les superfícies òptiques a causa de la baixa conductivitat tèrmica. Aquestes molècules d'aigua condensada poden interactuar amb el làser i els materials superficials per iniciar el LIC. A més, les emissions de gasos i altres contaminants moleculars en l'aire sovint condueixen a dipòsits basats en carboni a les superfícies òptiques. A la figura 1 es pot observar un creixement semblant a un arbre de LIC.
La investigació realitzada l'any 2005 va descriure amb detall les diferents interaccions làser que condueixen a LIC. Per exemple, la pre-nucleació induïda per la llum implica una capa molecular acumulada a causa de la interacció directa de la llum UV amb la superfície del vidre. Després d'una exposició prou llarga, es va demostrar que la densitat d'aquesta acumulació era a nivells saturats.
La interacció amb els gasos circumdants també pot provocar la deposició de contaminants. Les energies dels fotons a longituds d'ona UV inferiors a 400 nanòmetres comencen a apropar-se a les energies d'enllaç de molècules comunes (per exemple, O2, CO2, CO, N2, etc.). Això permet que la llum UV trenqui alguns d'aquests enllaços, creant altres ions i molècules que poden contaminar les superfícies òptiques.
Què és la fatiga UV?
A més del LIC induït pel medi ambient, els materials utilitzats per a recobriments i substrats són susceptibles de degradar-se amb el pas del temps a causa del procés de fatiga òptica, fins i tot si la intensitat de la font de llum està per sota del llindar de danys induïts per làser (LIDT).
El concepte de fatiga UV es pot assimilar a l'enquadernació d'un llibre. Fins i tot un ús lleuger pot provocar desgast. Els experiments de fatiga UV realitzats per Edmund Optics han demostrat que sota determinades condicions, com ara el buit, la irradiació làser UV pot provocar efectes de fatiga UV. La característica distintiva entre la fatiga LIC i UV és que LIC és un procés acumulatiu, mentre que la fatiga és la destrucció de el material, provocant una decoloració o altres canvis intrínsecs, i possiblement fins i tot l'eliminació del material.
Dos fenòmens que determinen les condicions i els mecanismes d'aquesta aparent reducció del rendiment òptic estan per sota del llindar de dany d'un sol pols en el règim làser de pols curt.
El primer mecanisme es basa en la modificació de l'índex de refracció, donant lloc a un efecte de lents que pot augmentar la intensitat de la llum localitzada a l'element òptic.
El segon mecanisme implica la formació de defectes induïts òpticament mitjançant la formació d'excitons auto-atrapats, la qual cosa comporta l'acumulació de centres d'absorció i la pèrdua d'eficàcia òptica.
Tant el LIC com la fatiga òptica es poden produir en làsers a longituds d'ona visible i infraroja, encara que en menor mesura. Tanmateix, l'alta energia dels fotons UV fa que aquests efectes siguin més comuns en sistemes que emeten en aquest rang espectral.
El mercat del làser UV ha crescut ràpidament en els últims anys i s'espera que tingui un CAGR del 5,4% entre el 2022 i el 2028, segons la firma d'investigació MarketWatch3. Els làsers UV d'alta potència s'han convertit en un element clau en aplicacions com la impressió, la medicina, la microfabricació, el processament de semiconductors i la fabricació additiva. La fatiga LIC i UV fan que el rendiment d'aquests sistemes es degradi amb el temps, i requereix la substitució periòdica dels seus components òptics. Això augmenta significativament el cost de manteniment d'un sistema làser UV i redueix l'eficiència del sistema. Una reducció del LIDT del sistema també pot augmentar el risc de fallada catastròfica del sistema causada per danys induïts per làser (figura 2).
Anàlisi de la fatiga LIC i UV
Els experiments ajuden a simular el procés de degradació dels components òptics en sistemes làser UV, investigar fonts potencials de contaminació i explorar diferents mesures correctores. En un d'aquests estudis, es van realitzar experiments per analitzar els canvis en el LIC i la fatiga òptica induïda per la irradiació làser UV utilitzant un làser polsat de {{0}}nm, 10- a 20-nanosegons emetent aproximadament 0,6 mil·lijoules per pols, amb un diàmetre del feix de 0,6 mm. El diagrama esquemàtic d'aquest banc de proves es mostra a la figura 3.
La "cambra de combustió" de la caixa de combustió consta de diverses finestres antireflectants que simulen com es veu afectat un sistema làser UV, com un expansor de feix. La caixa de gravació permet realitzar entorns experimentals aïllats en paral·lel. Un full de mitja ona i un cub divisor de feix de polarització van permetre controlar la potència mitjana de cada camí òptic de l'experiment. Un parell de comptadors d'energia igualats va mesurar la potència mitjana del làser. Això va controlar la degradació de la transmissió al llarg del temps de fatiga i/o contaminació de l'òptica provada.
Fig. 3. Esquema del banc de proves d'exposició UV desenvolupat per simular la degradació d'elements òptics en sistemes làser UV, per investigar possibles fonts de contaminació i explorar diferents mesures correctores. ar: finestra antireflectant; fs: finestra de sílice fosa sense recobrir; hr: mirall altament reflectant; hwp: placa de mitja ona; pbc: cub divisor de feix de polarització.
Es van realitzar experiments amb mesures diàries i contínues. Les mesures diàries van implicar obrir la carcassa i col·locar un comptador d'energia a cadascuna de les posicions de mesura que es mostren a la figura 3, inclosa la posició que normalment conté el basculant del feix, durant una mesura de 3-minut. Les mesures contínues implicaven col·locar dos comptadors d'energia en posicions de mesura diferents de la posició que normalment conté el basculant. Els comptadors d'energia van registrar la potència mitjana cada 30 minuts fins a la següent mesura diària. Una cambra ambiental va permetre investigar els efectes discrets de diverses condicions, com ara les condicions de buit o la presència de gas. Al final de cada experiment, un microscopi de contrast d'interferència diferencial va permetre als investigadors veure els contaminants a la superfície de la finestra.
Figura 4. La contaminació blanca opaca de les òptiques prèviament transparents que es mostra aquí es deu a la contaminació induïda per làser (LIC) després de l'exposició a un làser UV. Crèdit de la imatge: cortesia d'Edmund Optics
Resultats experimentals generals
La cambra de combustió va permetre estudis d'aïllament paral·lels i una simulació més realista de components òptics làser com l'expansor de feix. Els experiments inicials van demostrar que els lubricants de fil, l'alumini anoditzat i les noves juntes tòriques de Viton són fonts habituals de contaminació en sistemes UV en molts altres tipus de conjunts òptics. L'eliminació d'aquests factors pot millorar la vida útil de l'òptica provada.
Anells tòrics de Viton: amb juntes tòriques noves i sense obrir, la transmitància de la finestra de la cambra de combustió va començar a disminuir quatre dies després de la prova i es va tornar completament opaca després de set dies. Una boira blanca lletosa es va formar a les superfícies òptiques contaminades després de la prova (figura 4). La cocció de les anelles tòriques abans de l'ús va evitar un cert grau de desgasificació, donant lloc a una pèrdua de transmissió del 6% a les cinc setmanes en lloc d'una pèrdua completa de transmissió després d'una setmana. Col·locar les juntes tòriques al buit o deixar-les respirar lliurement en un entorn net és tan eficaç com coure-les.
Alumini anoditzat: les superfícies anoditzades contenen porus que atrapen els contaminants que es poden alliberar durant l'ús. A més, els materials anoditzats poden tornar-se reactius sota l'exposició UV.
Acer inoxidable: els experiments amb acer inoxidable netejat en lloc d'alumini anoditzat no van observar una degradació significativa després de set setmanes.
Indi: els segells de làmina d'indi ofereixen una major resistència a la fatiga UV en comparació amb les anelles tòriques.
Es van realitzar experiments addicionals per provar com la temperatura de l'òptica promou el creixement de LIC, si la neteja diària evita l'acumulació de contaminants i si bufar aire sec sobre el sistema té algun efecte positiu. Aquests nous experiments van més enllà de l'exposició UV de 355 nm a les proves de longitud d'ona de 266 nm.
Resumint
Comprendre i mitigar la fatiga UV i el LIC serà cada cop més important, ja que molts sistemes làser tendeixen a moure's a longituds d'ona més curtes per utilitzar una energia més alta i una resolució més alta. Els resultats experimentals a 355 nm han demostrat que LIC pot fer que l'òptica làser UV sigui completament opaca en tan sols una setmana si s'utilitzen juntes tòriques convencionals i alumini anoditzat al sistema. Afortunadament, aquests efectes es poden mitigar significativament substituint les juntes tòriques per segells d'indi, substituint l'alumini anoditzat per acer inoxidable i fent que l'entorn sigui el més net possible. Quan desenvolupeu un sistema làser UV, parleu amb el vostre proveïdor d'òptica per saber com fer que el vostre sistema sigui més resistent a la fatiga LIC i UV, tal com es descriu a l'article.
