UV lāzera optikas kalpošanas laiks parasti ir ierobežots divu galveno iemeslu dēļ: lāzera izraisīts piesārņojums (LIC) un UV nogurums. LIC izraisa nevēlamu materiālu nogulsnēšanās uz optikas virsmas, savukārt UV nogurumu izraisa kumulatīvs piesārņojums. UV staru iedarbība, kas izraisa optikas bojājumus. Šie divi bojājumu procesi laika gaitā pasliktina optiskā elementa veiktspēju, līdz tiek radīti neatgriezeniski bojājumi.
Ilgtermiņa eksperimenti ar 355 nm UV lāzera optiku, ko izmanto dažādās vidēs, ir atklājuši galvenos ieskatus piesārņojuma un noguruma avotos, kā arī mazināšanas stratēģijas un tīrīšanas metodes, kas var atjaunot piesārņoto optiku.
Kas ir lāzera izraisīts piesārņojums (LIC)
Optisko elementu piesārņojums var rasties, UV lāzera gaismai mijiedarbojoties ar daļiņām, ūdens tvaikiem, organiskām vielām un citiem sistēmas piesārņotājiem. Šie piesārņotāji var rasties no apkārtējā gaisa, optomehāniskām iekārtām un citiem sistēmas materiāliem. Lai gan mazināšanas metodes, piemēram, aerācija ar sauso slāpekli, palīdz, tās joprojām var izraisīt LIC. Jebkāda daļiņu uzkrāšanās var aizēnot optisko ceļu, pasliktināt komponentu darbību un, iespējams, pazemināt optikas lāzera bojājuma slieksni.
Zemas siltumvadītspējas dēļ uz optiskām virsmām bieži rodas kondensāts. Šīs kondensētās ūdens molekulas pēc tam var mijiedarboties ar lāzeru un virsmas materiāliem, lai ierosinātu LIC. Turklāt gāzu emisijas un citi gaisā esošie molekulārie piesārņotāji bieži noved pie oglekļa bāzes nogulsnēm uz optiskajām virsmām. LIC kokiem līdzīgu augšanu var novērot 1. attēlā.
2005. gadā veiktie pētījumi sīki aprakstīja dažādas lāzera mijiedarbības, kas noved pie LIC. Piemēram, gaismas izraisītā pirmskodola veidošanās ietver molekulāro slāni, kas veidojas UV gaismas tiešas mijiedarbības ar stikla virsmu dēļ. Pēc pietiekami ilgas iedarbības tika pierādīts, ka šīs uzkrāšanās blīvums ir piesātinātā līmenī.
Mijiedarbība ar apkārtējām gāzēm var izraisīt arī piesārņotāju nogulsnēšanos. Fotonu enerģijas pie UV viļņu garumiem, kas ir mazāki par 400 nanometriem, sāk tuvoties parasto molekulu (piemēram, O2, CO2, CO, N2 utt.) saišu enerģijām. Tas ļauj UV gaismai nojaukt dažas no šīm saitēm, radot citus jonus un molekulas, kas var piesārņot optiskās virsmas.
Kas ir UV nogurums?
Papildus vides izraisītajam LIC pārklājumiem un substrātiem izmantotie materiāli laika gaitā ir jutīgi pret noārdīšanos optiskā noguruma procesa dēļ, pat ja gaismas avota intensitāte ir zemāka par lāzera izraisīto bojājumu slieksni (LIDT).
UV noguruma jēdzienu var pielīdzināt grāmatas iesiešanai. Pat viegla lietošana var izraisīt nodilumu. Edmund Optics veiktie UV noguruma eksperimenti ir parādījuši, ka noteiktos apstākļos, piemēram, vakuumā, UV lāzera apstarošana var izraisīt UV noguruma efektu. LIC un UV noguruma atšķirīgā iezīme ir tāda, ka LIC ir kumulatīvs process, savukārt nogurums ir iznīcināšana. materiāls, kas izraisa krāsas maiņu vai citas būtiskas izmaiņas un, iespējams, pat materiāla noņemšanu.
Divas parādības, kas nosaka šīs šķietamās optiskās veiktspējas samazināšanās apstākļus un mehānismus, ir zem viena impulsa bojājuma sliekšņa īsa impulsa lāzera režīmā.
Pirmais mehānisms ir balstīts uz refrakcijas indeksa modifikāciju, kas rada lēcas efektu, kas var palielināt optiskā elementa lokalizēto gaismas intensitāti.
Otrais mehānisms ir saistīts ar optiski inducētu defektu veidošanos, veidojot pašieslodzītus eksitonus, kas izraisa absorbcijas centru uzkrāšanos un optiskās efektivitātes zudumu.
Gan LIC, gan optiskais nogurums var rasties lāzeros redzamā un infrasarkanā viļņa garumā, lai gan mazākā mērā. Tomēr UV fotonu augstā enerģija padara šos efektus biežākus sistēmās, kas izstaro šajā spektra diapazonā.
UV lāzeru tirgus pēdējos gados ir strauji pieaudzis, un sagaidāms, ka no 2022. līdz 2028. gadam CAGR būs 5,4%, liecina pētījumu firma MarketWatch3. Lieljaudas UV lāzeri ir kļuvuši par galveno elementu lietojumos, tostarp drukāšanā, medicīnā, mikroražošanā, pusvadītāju apstrādē un piedevu ražošanā. LIC un UV noguruma dēļ šo sistēmu veiktspēja laika gaitā pasliktinās, tāpēc periodiski ir jānomaina to optiskie komponenti. Tas ievērojami palielina UV lāzera sistēmas uzturēšanas izmaksas un samazina sistēmas efektivitāti. Sistēmas LIDT samazināšana var arī palielināt katastrofālas sistēmas atteices risku, ko izraisa lāzera izraisīti bojājumi (2. attēls).
LIC un UV noguruma analīze
Eksperimenti palīdz simulēt optisko komponentu degradācijas procesu UV lāzeru sistēmās, izpētīt iespējamos piesārņojuma avotus un izpētīt dažādus koriģējošus pasākumus. Vienā no šādiem pētījumiem tika veikti eksperimenti, lai analizētu UV lāzera starojuma izraisītās LIC izmaiņas un optisko nogurumu, izmantojot aptuveni {{0}}nm, 10- līdz 20-nanosekundes impulsa lāzeru, kas izstaro aptuveni 0, 6 milidžouli uz impulsu, ar staru kūļa diametru 0,6 mm. Šī testēšanas stenda shematiskā diagramma ir parādīta 3. attēlā.
Degšanas kastes "sadegšanas kamera" sastāv no vairākiem pretatstarojošiem logiem, kas imitē UV lāzera sistēmas ietekmi, piemēram, staru paplašinātāju. Apdeguma kaste ļauj paralēli veikt izolētas eksperimentālās vides. Pusviļņu loksne un polarizācijas staru sadalītāja kubs ļāva kontrolēt katra eksperimenta optiskā ceļa vidējo jaudu. Saskaņots enerģijas skaitītāju pāris mērīja vidējo lāzera jaudu. Tas uzraudzīja pārraides pasliktināšanos pārbaudītās optikas noguruma un / vai piesārņojuma laikā.
3. att. UV iedarbības testa stenda shēma, kas izstrādāta, lai modelētu optisko elementu degradāciju UV lāzeru sistēmās, izpētītu iespējamos piesārņojuma avotus un izpētītu dažādus korektīvos pasākumus. ar: pretatstarojošs logs; fs: nepārklāts kausēta silīcija dioksīda logs; hr: ļoti atstarojošs spogulis; hwp: pusviļņu plāksne; pbc: polarizācijas staru sadalītāja kubs.
Eksperimenti tika veikti ar ikdienas un nepārtrauktiem mērījumiem. Ikdienas mērījumi ietvēra korpusa atvēršanu un enerģijas skaitītāja novietošanu katrā no 3. attēlā parādītajām mērījumu pozīcijām, tostarp pozīcijā, kurā parasti atrodas staru kūļa nogāzējs, lai veiktu 3-minūtes mērījumu. Nepārtraukti mērījumi ietvēra divu enerģijas skaitītāju novietošanu citās mērījumu pozīcijās, nevis tajās pozīcijās, kurās parasti atrodas stara kūlis. Pēc tam enerģijas skaitītāji reģistrēja vidējo jaudu ik pēc 30 minūtēm līdz nākamajam ikdienas mērījumam. Vides kamera ļāva izpētīt dažādu apstākļu, piemēram, vakuuma apstākļu vai gāzes klātbūtnes, atsevišķas sekas. Katra eksperimenta beigās diferenciālo traucējumu kontrasta mikroskops ļāva pētniekiem apskatīt piesārņotājus uz loga virsmas.
4. attēls. Šeit parādītais necaurspīdīgs balts piesārņojums uz iepriekš caurspīdīgas optikas ir saistīts ar lāzera izraisītu piesārņojumu (LIC) pēc UV lāzera iedarbības. Attēla kredīts: ar Edmund Optics atļauju
Vispārīgi eksperimentālie rezultāti
Sadegšanas kamera ļāva veikt paralēlus izolācijas pētījumus un reālistiskāku lāzeroptikas komponentu, piemēram, stara paplašinātāja, simulāciju. Sākotnējie eksperimenti parādīja, ka vītņu smērvielas, anodēts alumīnijs un jaunie Viton O veida gredzeni ir bieži sastopami piesārņojuma avoti UV sistēmās daudzos citos optisko mezglu veidos. Šo faktoru noņemšana var uzlabot pārbaudītās optikas kalpošanas laiku.
Viton O-gredzeni: izmantojot jaunus, neatvērtus O-gredzenus, sadegšanas kameras loga caurlaidība sāka samazināties četras testa dienas un kļuva pilnīgi necaurspīdīga pēc septiņām dienām. Pēc testa uz piesārņotajām optiskajām virsmām izveidojās pienbalta migla (4. attēls). O-gredzenu apcepšana pirms lietošanas novērsa zināmu gāzu izdalīšanos, izraisot 6% pārvades zudumu pēc piecām nedēļām, nevis pilnīgu pārraides zudumu pēc vienas nedēļas. O veida gredzenu ievietošana vakuumā vai ļaut tiem brīvi elpot tīrā vidē ir tikpat efektīva kā to cepšana.
Anodēts alumīnijs: Anodētas virsmas satur poras, kas aiztur piesārņotājus, kas var izdalīties lietošanas laikā. Turklāt anodēti materiāli var kļūt reaģējoši UV starojuma ietekmē.
Nerūsējošais tērauds: eksperimentos, kuros izmantoja tīrītu nerūsējošo tēraudu, nevis anodētu alumīniju, pēc septiņām nedēļām netika novērota būtiska degradācija.
Indijs: Indija folijas blīves nodrošina lielāku izturību pret UV nogurumu, salīdzinot ar O veida gredzeniem.
Tika veikti papildu eksperimenti, lai pārbaudītu, kā optikas temperatūra veicina LIC augšanu, vai ikdienas tīrīšana novērš piesārņotāju uzkrāšanos un vai sausa gaisa pūšanai pāri sistēmai ir kāda pozitīva ietekme. Šie jaunie eksperimenti pārsniedz 355 nm UV iedarbību uz 266 nm viļņa garuma testēšanu.
Apkopojot
UV noguruma un LIC izpratne un mazināšana kļūs arvien svarīgāka, jo daudzām lāzeru sistēmām ir tendence pāriet uz īsākiem viļņu garumiem, lai izmantotu lielāku enerģiju un augstāku izšķirtspēju. Eksperimentālie rezultāti pie 355 nm ir parādījuši, ka LIC var padarīt UV lāzera optiku pilnīgi necaurredzamu pat nedēļas laikā, ja sistēmā tiek izmantoti parastie O veida gredzeni un anodēts alumīnijs. Par laimi, šīs sekas var ievērojami mazināt, nomainot O-gredzenus ar indija blīvēm, aizstājot anodēto alumīniju ar nerūsējošo tēraudu un padarot apkārtni pēc iespējas tīrāku. Izstrādājot UV lāzera sistēmu, konsultējieties ar savu optikas piegādātāju, lai uzzinātu, kā padarīt sistēmu izturīgāku pret LIC un UV nogurumu, kā aprakstīts rakstā.
