UV lazerinės optikos eksploatavimo laikas paprastai yra ribotas dėl dviejų pagrindinių priežasčių: lazerio sukeltos taršos (LIC) ir UV nuovargio. LIC sukelia nepageidaujamų medžiagų nusėdimas ant optikos paviršiaus, o UV nuovargis atsiranda dėl kumuliacinio poveikio. UV spindulių poveikis, dėl kurio pažeidžiama optika. Šie du pažeidimo procesai laikui bėgant blogina optinio elemento veikimą, kol padaroma negrįžtama žala.
Ilgalaikiai eksperimentai su 355 nm UV lazerine optika, naudojama įvairiose aplinkose, atskleidė pagrindines įžvalgas apie užteršimo ir nuovargio šaltinius, taip pat sušvelninimo strategijas ir valymo būdus, kurie gali atkurti užterštą optiką.
Kas yra lazerio sukelta tarša (LIC)
Optiniai elementai gali būti užteršti, kai UV lazerio šviesa sąveikauja su dalelėmis, vandens garais, organinėmis medžiagomis ir kitais sistemos teršalais. Šie teršalai gali atsirasti iš aplinkos oro, optomechaninės įrangos ir kitų sistemoje esančių medžiagų. Nors švelninimo metodai, tokie kaip aeravimas sausu azotu, padeda, jie vis tiek gali sukelti LIC. Bet koks kietųjų dalelių susikaupimas gali užgožti optinį kelią, pabloginti komponentų funkciją ir potencialiai sumažinti optikos lazerio pažeidimo slenkstį.
Dėl mažo šilumos laidumo ant optinių paviršių dažnai susidaro kondensatas. Šios kondensuoto vandens molekulės gali sąveikauti su lazeriu ir paviršiaus medžiagomis, kad inicijuotų LIC. Be to, dėl dujų išmetimo ir kitų ore sklindančių molekulinių teršalų ant optinių paviršių dažnai susidaro anglies nuosėdos. Į medį panašų LIC augimą galima stebėti 1 paveiksle.
2005 m. atlikti tyrimai išsamiai aprašė įvairias lazerių sąveikas, kurios lemia LIC. Pavyzdžiui, šviesos sukeltas išankstinis branduolių susidarymas apima molekulinį sluoksnį, susidarantį dėl tiesioginės UV šviesos sąveikos su stiklo paviršiumi. Po pakankamai ilgo poveikio šio kaupimosi tankis buvo prisotintas.
Sąveika su aplinkinėmis dujomis taip pat gali sukelti teršalų nusėdimą. Fotonų energija, kai UV bangos ilgis yra mažesnis nei 400 nanometrų, pradeda artėti prie bendrų molekulių (pvz., O2, CO2, CO, N2 ir kt.) ryšių energijos. Tai leidžia UV šviesai suardyti kai kurias iš šių ryšių, sukuriant kitus jonus ir molekules, kurios gali užteršti optinius paviršius.
Kas yra UV nuovargis?
Be aplinkos sukeltų LIC, dangoms ir substratams naudojamos medžiagos laikui bėgant gali suirti dėl optinio nuovargio, net jei šviesos šaltinio intensyvumas yra mažesnis už lazerio sukeltos žalos slenkstį (LIDT).
UV nuovargio sąvoką galima palyginti su knygos įrišimu. Net lengvas naudojimas gali sukelti nusidėvėjimą. Edmund Optics atlikti UV nuovargio eksperimentai parodė, kad tam tikromis sąlygomis, pvz., vakuume, UV lazerio švitinimas gali sukelti UV nuovargio poveikį. Skiriamasis LIC ir UV nuovargio bruožas yra tas, kad LIC yra kaupiamasis procesas, o nuovargis yra sunaikinimas. medžiaga, dėl ko pakitusi spalva ar kiti esminiai pakitimai ir galbūt net medžiaga pašalinama.
Du reiškiniai, lemiantys šio akivaizdaus optinio efektyvumo sumažėjimo sąlygas ir mechanizmus, yra žemiau vieno impulso pažeidimo slenksčio trumpo impulso lazerio režimu.
Pirmasis mechanizmas pagrįstas lūžio rodiklio modifikavimu, dėl kurio atsiranda lęšio efektas, galintis padidinti optinio elemento lokalizuotą šviesos intensyvumą.
Antrasis mechanizmas apima optiškai sukeltų defektų susidarymą susidarant savaime įstrigusiems eksitonams, dėl kurių kaupiasi absorbcijos centrai ir prarandamas optinis efektyvumas.
Tiek LIC, tiek optinis nuovargis gali atsirasti lazeriuose esant matomam ir infraraudonųjų spindulių bangos ilgiui, nors ir mažesniu mastu. Tačiau dėl didelės UV fotonų energijos šie efektai dažnesni sistemose, spinduliuojančiose šiame spektriniame diapazone.
Remiantis tyrimų bendrovės MarketWatch3 duomenimis, UV lazerių rinka pastaraisiais metais sparčiai augo ir tikimasi, kad 2022–2028 m. CAGR bus 5,4%. Didelės galios UV lazeriai tapo pagrindiniu elementu tokiose srityse kaip spausdinimas, medicina, mikrogamyba, puslaidininkių apdorojimas ir priedų gamyba. Dėl LIC ir UV nuovargio šių sistemų veikimas laikui bėgant blogėja, todėl jų optinius komponentus reikia periodiškai keisti. Tai žymiai padidina UV lazerinės sistemos priežiūros išlaidas ir sumažina sistemos efektyvumą. Sumažėjus sistemos LIDT, taip pat gali padidėti katastrofiško sistemos gedimo dėl lazerio sukeltos žalos rizika (2 pav.).
LIC ir UV nuovargio analizė
Eksperimentai padeda imituoti optinių komponentų irimo procesą UV lazerinėse sistemose, ištirti galimus taršos šaltinius ir ištirti įvairias korekcines priemones. Viename iš tokių tyrimų buvo atlikti eksperimentai, skirti analizuoti LIC pokyčius ir optinį nuovargį, sukeltą UV lazerio švitinimo naudojant {{0}}nm, 10-–20-nanosekundinį impulsinį lazerį, spinduliuojantį apytiksliai. 0.6 milidžauliai vienam impulsui, o pluošto skersmuo 0,6 mm. Šio bandymo stendo schema parodyta 3 pav.
Degimo dėžės „degimo kamera“ susideda iš kelių antirefleksinių langų, kurie imituoja UV lazerio sistemos poveikį, pavyzdžiui, spindulio plėtiklį. Degimo dėžė leidžia lygiagrečiai atlikti izoliuotas eksperimentines aplinkas. Pusinės bangos lakštas ir poliarizacijos pluošto skirstytuvo kubas leido kontroliuoti kiekvieno optinio kelio vidutinę galią eksperimente. Suderinta energijos skaitiklių pora išmatavo vidutinę lazerio galią. Tai stebėjo transmisijos pablogėjimą per nuovargį ir (arba) išbandytos optikos užteršimą.
3 pav. UV poveikio bandymo stendo schema, sukurta siekiant imituoti optinių elementų degradaciją UV lazerinėse sistemose, ištirti galimus taršos šaltinius ir ištirti įvairias korekcines priemones. ar: neatspindintis langas; fs: nepadengtas lydyto silicio langas; hr: labai atspindintis veidrodis; hwp: pusės bangos plokštė; pbc: poliarizacijos pluošto skirstytuvo kubas.
Eksperimentai buvo atlikti su kasdieniais ir nuolatiniais matavimais. Kasdieniai matavimai apėmė korpuso atidarymą ir energijos skaitiklio pastatymą kiekvienoje matavimo pozicijoje, parodytoje 3 pav., įskaitant padėtį, kurioje paprastai yra spindulio nuolydis, kad būtų galima išmatuoti 3-min. Nuolatiniai matavimai buvo susiję su dviejų energijos skaitiklių pastatymu kitose matavimo vietose nei ta vieta, kurioje paprastai yra spindulio nuolydis. Tada energijos skaitikliai fiksavo vidutinę galią kas 30 minučių iki kito kasdienio matavimo. Aplinkos kamera leido ištirti atskirą įvairių sąlygų poveikį, pavyzdžiui, vakuumo sąlygas ar dujų buvimą. Kiekvieno eksperimento pabaigoje diferencialinis interferencinis kontrastinis mikroskopas leido tyrėjams apžiūrėti teršalus ant lango paviršiaus.
4 pav. Čia parodytas nepermatomas baltas užterštumas ant anksčiau skaidrios optikos atsirado dėl lazerio sukeltos taršos (LIC) po UV lazerio poveikio. Vaizdo kreditas: „Edmund Optics“ sutikimas
Bendrieji eksperimento rezultatai
Degimo kamera leido atlikti lygiagretus izoliacijos tyrimus ir tikroviškesnį lazerinės optikos komponentų, pvz., pluošto plėtiklio, modeliavimą. Pradiniai eksperimentai parodė, kad sriegių tepalai, anoduotas aliuminis ir nauji Viton O-žiedai yra dažni UV sistemų užterštumo šaltiniai daugelyje kitų optinių mazgų. Pašalinus šiuos veiksnius, gali pailgėti išbandytos optikos tarnavimo laikas.
Viton O-žiedai: naudojant naujus, neatidarytus sandarinimo žiedus, degimo kameros lango pralaidumas pradėjo mažėti praėjus keturioms dienoms po bandymo ir tapo visiškai nepermatomas po septynių dienų. Po bandymo ant užterštų optinių paviršių susidarė pieno baltumo rūkas (4 pav.). Iškepus sandarinimo žiedus prieš naudojant buvo išvengta tam tikro dujų išsiskyrimo, todėl per penkias savaites prarandama 6 %, o ne visiškai prarandama po savaitės. Įdėti sandarinimo žiedus į vakuumą arba leisti jiems laisvai kvėpuoti švarioje aplinkoje yra taip pat efektyvu, kaip ir kepti.
Anoduotas aliuminis: Anoduotuose paviršiuose yra porų, kurios sulaiko teršalus, kurie gali išsiskirti naudojimo metu. Be to, anoduotos medžiagos gali tapti reaktyvios veikiant UV spinduliams.
Nerūdijantis plienas: Eksperimentai su išvalytu nerūdijančiu plienu, o ne anoduotu aliuminiu po septynių savaičių reikšmingo skilimo nepastebėjo.
Indis: Indžio folijos sandarikliai užtikrina didesnį atsparumą UV nuovargiui, palyginti su O-žiedais.
Buvo atlikti papildomi eksperimentai, siekiant patikrinti, kaip optikos temperatūra skatina LIC augimą, ar kasdienis valymas apsaugo nuo teršalų kaupimosi ir ar sauso oro pūtimas virš sistemos turi teigiamą poveikį. Šie nauji eksperimentai perkeliami už 355 nm UV spindulių ir 266 nm bangos ilgio bandymų.
Apibendrinant
UV nuovargio ir LIC supratimas ir mažinimas taps vis svarbesnis, nes daugelis lazerinių sistemų linkę pereiti prie trumpesnių bangų ilgių, kad panaudotų didesnę energiją ir didesnę skiriamąją gebą. Eksperimentiniai rezultatai esant 355 nm parodė, kad LIC gali paversti UV lazerio optiką visiškai nepermatoma vos per savaitę, jei sistemoje naudojami įprasti O žiedai ir anoduotas aliuminis. Laimei, šį poveikį galima žymiai sumažinti pakeitus O-žiedus indžio sandarikliais, pakeitus anoduotą aliuminį nerūdijančiu plienu ir padarant aplinką kuo švaresnę. Kurdami UV lazerinę sistemą, pasitarkite su savo optikos tiekėju, kad sužinotumėte, kaip padaryti sistemą atsparesnę LIC ir UV nuovargiui, kaip aprašyta straipsnyje.
