UV-Laseroptiken haben aufgrund von zwei Hauptursachen tendenziell eine begrenzte Lebensdauer: laserinduzierte Kontamination (LIC) und UV-Ermüdung. LIC wird durch die Ablagerung unerwünschter Materialien auf der Oberfläche der Optik verursacht, während UV-Ermüdung durch die kumulative Wirkung verursacht wird Einwirkung von UV-Licht, das zu Schäden an der Optik führt. Diese beiden Schadensprozesse verschlechtern mit der Zeit die Leistung des optischen Elements, bis es zu irreversiblen Schäden kommt.
Langzeitexperimente mit 355-nm-UV-Laseroptiken, die in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden, haben wichtige Erkenntnisse über die Ursachen von Kontamination und Ermüdung sowie über Strategien zur Schadensbegrenzung und Reinigungstechniken erbracht, mit denen kontaminierte Optiken wiederhergestellt werden können.
Was ist laserinduzierte Kontamination (LIC)
Eine Kontamination optischer Elemente kann auftreten, wenn UV-Laserlicht mit Partikeln, Wasserdampf, organischen Stoffen und anderen Verunreinigungen im System interagiert. Diese Verunreinigungen können aus der Umgebungsluft, optomechanischen Geräten und anderen Materialien im System stammen. Obwohl Abhilfemaßnahmen wie Belüftung mit trockenem Stickstoff hilfreich sind, können sie dennoch zu LIC führen. Jegliche Ansammlung von Partikeln kann den optischen Weg verdecken, die Funktion von Komponenten beeinträchtigen und möglicherweise die Laserschadensschwelle der Optik senken.
Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit kommt es häufig zu Kondensation auf optischen Oberflächen. Diese kondensierten Wassermoleküle können dann mit dem Laser und den Oberflächenmaterialien interagieren, um LIC auszulösen. Darüber hinaus führen Gasemissionen und andere molekulare Verunreinigungen in der Luft häufig zu kohlenstoffbasierten Ablagerungen auf optischen Oberflächen. Das baumartige Wachstum von LIC ist in Abbildung 1 zu beobachten.
Im Jahr 2005 durchgeführte Untersuchungen beschrieben detailliert die verschiedenen Laserinteraktionen, die zu LIC führen. Bei der lichtinduzierten Vorkeimbildung entsteht beispielsweise eine molekulare Schicht, die durch die direkte Wechselwirkung von UV-Licht mit der Glasoberfläche entsteht. Nach einer ausreichend langen Belichtungszeit zeigte sich, dass die Dichte dieses Aufbaus ein Sättigungsniveau erreichte.
Auch die Wechselwirkung mit umgebenden Gasen kann zur Ablagerung von Schadstoffen führen. Photonenenergien bei UV-Wellenlängen kleiner als 400 Nanometer nähern sich allmählich den Bindungsenergien gewöhnlicher Moleküle (z. B. O2, CO2, CO, N2 usw.). Dadurch kann UV-Licht einige dieser Bindungen aufbrechen und andere Ionen und Moleküle erzeugen, die optische Oberflächen verunreinigen können.
Was ist UV-Müdigkeit?
Zusätzlich zur umweltbedingten LIC unterliegen Materialien, die für Beschichtungen und Substrate verwendet werden, aufgrund des Prozesses der optischen Ermüdung im Laufe der Zeit einer Verschlechterung, selbst wenn die Intensität der Lichtquelle unter der laserinduzierten Schadensschwelle (Laser Induced Damage Threshold, LIDT) liegt.
Das Konzept der UV-Ermüdung kann mit dem Binden eines Buches verglichen werden. Schon leichte Beanspruchung kann zu Verschleiß führen. Von Edmund Optics durchgeführte UV-Ermüdungsexperimente haben gezeigt, dass UV-Laserbestrahlung unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise im Vakuum, zu UV-Ermüdungseffekten führen kann. Das Unterscheidungsmerkmal zwischen LIC und UV-Ermüdung besteht darin, dass LIC ein kumulativer Prozess ist, während Ermüdung die Zerstörung von das Material, was zu Verfärbungen oder anderen intrinsischen Veränderungen und möglicherweise sogar zur Entfernung des Materials führt.
Zwei Phänomene, die die Bedingungen und Mechanismen dieser offensichtlichen Verringerung der optischen Leistung bestimmen, liegen unterhalb der Einzelpuls-Schadensschwelle im Kurzpulslaserbereich.
Der erste Mechanismus basiert auf der Änderung des Brechungsindex, was zu einem Linseneffekt führt, der die lokale Lichtintensität auf dem optischen Element erhöhen kann.
Der zweite Mechanismus beinhaltet die Bildung optisch induzierter Defekte durch die Bildung selbstgefangener Exzitonen, was zur Akkumulation von Absorptionszentren und einem Verlust der optischen Wirksamkeit führt.
Sowohl LIC als auch optische Ermüdung können bei Lasern im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich auftreten, wenn auch in geringerem Ausmaß. Aufgrund der hohen Energie der UV-Photonen treten diese Effekte jedoch häufiger bei Systemen auf, die in diesem Spektralbereich emittieren.
Der UV-Lasermarkt ist in den letzten Jahren rasant gewachsen und wird laut dem Forschungsunternehmen MarketWatch3 zwischen 2022 und 2028 voraussichtlich eine jährliche Wachstumsrate von 5,4 % aufweisen. Hochleistungs-UV-Laser sind zu einem Schlüsselelement in Anwendungen wie Druck, Medizin, Mikrofabrikation, Halbleiterverarbeitung und additiver Fertigung geworden. LIC und UV-Ermüdung führen dazu, dass die Leistung dieser Systeme mit der Zeit nachlässt, was einen regelmäßigen Austausch ihrer optischen Komponenten erfordert. Dies erhöht die Kosten für die Wartung eines UV-Lasersystems erheblich und verringert die Systemeffizienz. Eine Verringerung des LIDT des Systems kann auch das Risiko eines katastrophalen Systemausfalls aufgrund von laserinduzierten Schäden erhöhen (Abbildung 2).
Analyse von LIC und UV-Ermüdung
Experimente helfen dabei, den Degradationsprozess optischer Komponenten in UV-Lasersystemen zu simulieren, potenzielle Kontaminationsquellen zu untersuchen und verschiedene Korrekturmaßnahmen zu erforschen. In einer solchen Studie wurden Experimente durchgeführt, um die durch UV-Laserbestrahlung verursachten Veränderungen im LIC und die optische Ermüdung zu analysieren, wobei ein gepulster Laser mit einer Strahlungsleistung von ungefähr {{0}}nm, 10- bis 20-Nanosekunden emittiert wurde 0,6 Millijoule pro Impuls, mit einem Strahldurchmesser von 0,6 mm. Das schematische Diagramm dieses Prüfstands ist in Abb. 3 dargestellt.
Die „Brennkammer“ der Burn-Box besteht aus mehreren Antireflexfenstern, die simulieren, wie ein UV-Lasersystem, beispielsweise ein Strahlaufweiter, beeinflusst wird. Die Burn-Box ermöglicht die parallele Durchführung isolierter Versuchsumgebungen. Ein Halbwellenblatt und ein Polarisationsstrahlteilerwürfel ermöglichten die Steuerung der durchschnittlichen Leistung jedes optischen Pfades im Experiment. Ein Paar aufeinander abgestimmter Energiemessgeräte maß die durchschnittliche Laserleistung. Dadurch wurde die Transmissionsverschlechterung im Laufe der Zeit der Ermüdung und/oder Verschmutzung der getesteten Optiken überwacht.
Abb. 3. Schematische Darstellung des UV-Belichtungsprüfstands, der entwickelt wurde, um die Verschlechterung optischer Elemente in UV-Lasersystemen zu simulieren, potenzielle Kontaminationsquellen zu untersuchen und verschiedene Korrekturmaßnahmen zu untersuchen. ar: entspiegeltes Fenster; fs: unbeschichtetes Quarzglasfenster; hr: hochreflektierender Spiegel; hwp: Halbwellenplatte; pbc: Polarisationsstrahlteilerwürfel.
Die Experimente wurden mit täglichen und kontinuierlichen Messungen durchgeführt. Bei den täglichen Messungen wurde das Gehäuse geöffnet und für eine 3-minütige Messung ein Energiemessgerät an jeder der in Abb. 3 gezeigten Messpositionen platziert, einschließlich der Position, an der sich normalerweise der Strahlkipper befindet. Bei den kontinuierlichen Messungen wurden zwei Energiezähler an anderen Messpositionen als der Position platziert, an der sich normalerweise der Strahlkipper befindet. Anschließend erfassten die Energiezähler alle 30 Minuten die durchschnittliche Leistung bis zur nächsten täglichen Messung. Eine Klimakammer ermöglichte die Untersuchung einzelner Auswirkungen verschiedener Bedingungen, wie beispielsweise Vakuumbedingungen oder das Vorhandensein von Gas. Am Ende jedes Experiments ermöglichte ein Differential-Interferenzkontrast-Mikroskop den Forschern, Verunreinigungen auf der Fensteroberfläche zu betrachten.
Abbildung 4. Die hier gezeigte undurchsichtige weiße Verunreinigung auf zuvor transparenten Optiken ist auf eine laserinduzierte Verunreinigung (LIC) nach der Einwirkung eines UV-Lasers zurückzuführen. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Edmund Optics
Allgemeine experimentelle Ergebnisse
Die Brennkammer ermöglichte parallele Isolationsstudien und eine realistischere Simulation von Laseroptikkomponenten wie dem Strahlaufweiter. Erste Experimente zeigten, dass Gewindeschmiermittel, eloxiertes Aluminium und die neuen Viton-O-Ringe häufige Kontaminationsquellen in UV-Systemen vieler anderer Arten optischer Baugruppen sind. Durch die Beseitigung dieser Faktoren kann die Lebensdauer der getesteten Optik verbessert werden.
Viton-O-Ringe: Mit neuen, ungeöffneten O-Ringen begann die Durchlässigkeit des Brennkammerfensters nach vier Tagen im Test abzunehmen und wurde nach sieben Tagen völlig undurchsichtig. Nach dem Test bildete sich auf den kontaminierten optischen Flächen ein milchig-weißer Nebel (Abbildung 4). Das Backen der O-Ringe vor der Verwendung verhinderte ein gewisses Maß an Ausgasung, was zu einem Übertragungsverlust von 6 % nach fünf Wochen und nicht zu einem vollständigen Übertragungsverlust nach einer Woche führte. O-Ringe in ein Vakuum zu legen oder sie in einer sauberen Umgebung frei atmen zu lassen, ist genauso effektiv wie das Backen.
Eloxiertes Aluminium: Eloxierte Oberflächen enthalten Poren, die Verunreinigungen einfangen, die während des Gebrauchs freigesetzt werden können. Darüber hinaus können eloxierte Materialien unter UV-Einwirkung reaktiv werden.
Edelstahl: Bei Experimenten mit gereinigtem Edelstahl anstelle von eloxiertem Aluminium konnte nach sieben Wochen keine nennenswerte Verschlechterung festgestellt werden.
Indium: Foliendichtungen aus Indium bieten im Vergleich zu O-Ringen eine höhere Beständigkeit gegen UV-Ermüdung.
Zusätzliche Experimente wurden durchgeführt, um zu testen, wie die Temperatur der Optik das Wachstum von LIC fördert, ob die tägliche Reinigung die Ansammlung von Verunreinigungen verhindert und ob das Blasen trockener Luft über das System positive Auswirkungen hat. Diese neuen Experimente gehen über die UV-Belichtung bei 355 nm hinaus und führen Tests mit einer Wellenlänge von 266 nm durch.
Zusammenfassend
Das Verständnis und die Linderung von UV-Ermüdung und LIC werden immer wichtiger, da viele Lasersysteme dazu neigen, auf kürzere Wellenlängen umzusteigen, um höhere Energie und eine höhere Auflösung zu nutzen. Experimentelle Ergebnisse bei 355 nm haben gezeigt, dass LIC UV-Laseroptiken in nur einer Woche vollständig undurchsichtig machen kann, wenn herkömmliche O-Ringe und eloxiertes Aluminium im System verwendet werden. Glücklicherweise können diese Auswirkungen deutlich abgemildert werden, indem man die O-Ringe durch Indium-Dichtungen ersetzt, das eloxierte Aluminium durch Edelstahl ersetzt und die Umgebung so sauber wie möglich macht. Sprechen Sie bei der Entwicklung eines UV-Lasersystems mit Ihrem Optiklieferanten, um herauszufinden, wie Sie Ihr System widerstandsfähiger gegen LIC und UV-Ermüdung machen können, wie im Artikel beschrieben.
