تفاوت در مکانیسم های آسیب بین لیزرهای فمتوثانیه و نانوثانیه

شکل 1: مکانیسم های آسیب ناشی از لیزر که به طور قابل توجهی در مقیاس های مدت پالس متفاوت است. پالس های طولانی تر، از جمله پالس هایی با مدت زمان نانوثانیه، عمدتاً از طریق اثرات حرارتی باعث آسیب می شوند. همانطور که مدت زمان پالس به مقیاس زمانی فمتوثانیه کوتاه می شود، جذب حامل و اثرات غیرخطی به مکانیسم های آسیب اولیه تبدیل می شوند.

همانطور که فناوری لیزر به تکامل خود ادامه می دهد، اپتیک نیز باید برای برآورده کردن مشخصات سخت مورد نیاز برای کاربردهای با دقت بالا باشد. قدرت لیزرهای فوق سریع انقلابی در روش های پزشکی، ریزماشین کاری، تحقیقات علوم پایه و بسیاری از زمینه های دیگر ایجاد کرده است. برای صنایع و کاربردهایی که قبلاً تحت سلطه لیزرهای نانوثانیه بودند، استفاده از لیزرهای فوق سریع تعدادی چالش را به همراه دارد، از جمله آستانه آسیب لیزر به طور قابل توجهی متفاوت برای اجزای نوری. برای اطمینان از کارایی و طول عمر سیستم های لیزر، درک تفاوت آستانه آسیب لیزر در طول مدت پالس نانوثانیه و فمتوثانیه و دلایل آنها بسیار مهم است.

آستانه آسیب لیزر (LDT)، که گاهی اوقات به عنوان آستانه آسیب ناشی از لیزر (LIDT) شناخته می شود، یک پارامتر کلیدی است که باید هنگام انتخاب اپتیک برای هر سیستم لیزری ارزیابی شود. ISO 21254 LDT را به عنوان "حداکثر مقدار تابش لیزر" تعریف می کند. روی یک عنصر نوری که احتمال آسیب رساندن به عنصر صفر فرض می‌شود... این تعریف به اندازه کافی ساده به نظر می رسد، اما مقدار واقعی LDT به عوامل مختلفی غیر از ماهیت خود عنصر نوری بستگی دارد. به طور خاص، LDT یک عنصر نوری ممکن است با چندین مرتبه بزرگی زمانی که در نانوثانیه ({2}}s) در مقابل مدت زمان پالس فمتوثانیه (10-15s) ارزیابی شود، تغییر کند. این تفاوت بزرگ ناشی از مکانیسم های آسیب لیزر بسیار متفاوتی است که در این مقیاس های زمانی مختلف رخ می دهد (شکل 1 را ببینید).

مکانیسم های آسیب لیزر نانوثانیه

برخلاف پالس‌های فمتوثانیه، پالس‌های طولانی لیزرهای نانوثانیه عمدتاً از طریق مکانیسم‌های حرارتی به اجزای نوری آسیب می‌رسانند. لیزر مقدار زیادی انرژی را به ماده عنصر نوری رسوب می‌کند که باعث گرمایش موضعی در محل تابش لیزر می‌شود. این گرمایش ممکن است مستقیماً منجر به ذوب شود یا ممکن است باعث ایجاد برخی تغییرات ساختاری از طریق انبساط حرارتی و در نتیجه تنش مکانیکی شود. این تنش ممکن است منجر به ترک خوردگی یا حتی جدا شدن کامل پوشش از بستر شود.

علاوه بر گرمایش مستقیم مواد پوشش، اپتیک ها تحت تابش لیزر نانوثانیه به ویژه به نقص های داخل پوشش حساس هستند. این نقص ها مانند صاعقه گیرهای کوچک در پوشش نوری عمل می کنند، زیرا نرخ جذب بسیار بالاتری نسبت به محیط اطراف خود دارند. در نتیجه، این نواحی معیوب بسیار سریعتر گرم می شوند و در صورت آسیب فاجعه بار لیزر، این عیوب می توانند از پوشش منفجر شوند. این مکانیسم آسیب شدید معمولاً دهانه هایی را روی سطح اپتیک و همچنین مقداری ذرات معلق که بلافاصله پس از حادثه آسیب دوباره روی سطح رسوب می کنند، باقی می گذارد (شکل 2 را ببینید).

شکل 2: آسیب لیزر ناشی از لیزر پالسی نانوثانیه 532 نانومتری. این آسیب ناشی از نقص در پوشش عنصر نوری است که منجر به ایجاد دهانه ها و رسوب مجدد ذرات در سطح عنصر می شود.

از آنجایی که این نقاط عیب آسیب لیزر را آغاز می کنند، هر چه وجود نقص بیشتر باشد، LDT معمولاً برای یک عنصر نوری مشخص کمتر است. بنابراین، برای اپتیک های مورد استفاده با لیزرهای نانوثانیه، تمرکز بر کیفیت سطح اپتیک است. علاوه بر این، آزمایش LDT در مقیاس زمانی نانوثانیه یک فرآیند بسیار آماری است. احتمال آسیب در هر مکان معینی بر روی سطح نوری به دلیل بسیاری از عوامل مرتبط است، از جمله اندازه پرتو فرود، توزیع و چگالی مکان‌های نقص، و خواص ذاتی مواد. این تأثیرات چندگانه همچنین توضیح می‌دهد که چرا مقادیر نانوثانیه LDT می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی بین دسته‌های یک پوشش متفاوت باشد.

تأثیرات مختلف بر روی LDT نانوثانیه با مکانیسم های اصلی مسئول آسیب لیزر فمتوثانیه، که در درجه اول به مواد پوشش اعمال شده مربوط می شود، در تضاد است.

مکانیسم های آسیب لیزر فمتوثانیه

پالس‌های فوق سریع لیزرهای فمتوثانیه از طریق مکانیسم‌های مختلف باعث آسیب می‌شوند، تا حدی به دلیل قدرت بسیار بالایی که تولید می‌کنند. حتی اگر لیزرهای نانوثانیه و فمتوثانیه انرژی پالسی یکسانی دارند، قدرت پیک یک پالس لیزر فمتوثانیه می‌تواند حدود یک میلیون برابر بیشتر از لیزر نانوثانیه باشد، زیرا مدت زمان پالس کوتاه‌تر لیزر فمتوثانیه است. این پالس‌های لیزری با شدت بالا می‌توانند مستقیماً الکترون‌ها را از باند ظرفیت به نوار هدایت برانگیزند. حتی اگر انرژی فوتون پالس لیزر تابشی کمتر از این پرش باشد (معروف به شکاف باند مواد)، اوج جریان پالس لیزر فوق سریع آنقدر زیاد است که الکترون ها می توانند همزمان بیش از یک فوتون را جذب کنند. این مکانیسم غیرخطی به عنوان یونیزاسیون چند فوتونی شناخته می شود و یک مسیر آسیب رایج در اپتیک لیزر فوق سریع است.

یونیزاسیون تونل نیز ممکن است یک مسیر آسیب در تابش لیزر فمتوثانیه باشد. این پدیده زمانی رخ می دهد که پالس لیزر فوق سریع یک میدان الکتریکی بسیار قوی ایجاد می کند که آنقدر قوی است که میدان الکتریکی فرودی در واقع انرژی در نوار رسانایی را مخدوش می کند، که به الکترون ها اجازه می دهد از طریق نوار ظرفیت تونل بزنند. هنگامی که به اندازه کافی الکترون به نوار رسانایی برانگیخته شد، تابش فرودی شروع به جفت کردن انرژی مستقیماً به الکترون‌های آزاد می‌کند و در نتیجه مواد پوششی تجزیه می‌شود.

با توجه به این مسیرهای آسیب، فمتوثانیه LDT قطعی تر از LDT نانوثانیه است. آسیب لیزر اساساً در یک جریان ورودی مشخصی از لیزر فمتوثانیه، که متناسب با فاصله باند مواد پوشش دی الکتریک پوشش داده شده است، "روشن" می شود. این در تضاد با ماهیت احتمالی آسیب لیزر نانوثانیه است (شکل 3 را ببینید).

تصویر شکل 3: نتایج تست LDT در شرایط پالس 4ns (چپ) و 48fs (راست) به دست آمده است. شیب مسطح منحنی آسیب نانوثانیه ماهیت احتمالی اندازه‌گیری‌ها را منعکس می‌کند، در حالی که تغییر شدید به سمت احتمال آسیب ۱۰۰٪ مکانیسم قطعی آسیب لیزر فمتوثانیه را منعکس می‌کند.

برخلاف مسیر آسیب لیزر نانوثانیه ای، توجه به این نکته مهم است که اثرات حرارتی بر LDT یک عنصر نوری در مقیاس زمانی فمتوثانیه تأثیر نمی گذارد. این به این دلیل است که مدت زمان یک پالس لیزر فوق سریع در واقع سریعتر از مقیاس زمانی انتشار حرارتی در ساختار مواد در نتیجه، پالس‌های فمتوثانیه انرژی را به‌عنوان گرما در مواد پوششی ذخیره نمی‌کنند و بنابراین مانند پالس‌های لیزر نانوثانیه، انبساط حرارتی و تنش مکانیکی ایجاد نمی‌کنند. به همین دلایل دقیق، لیزرهای فوق سریع در بسیاری از کاربردهایی که نیاز به برش و علامت گذاری با دقت بالا دارند، مانند ساخت استنت های قلبی عروقی، بسیار سودمند هستند.

انتخاب اپتیک مناسب

مانند مدت زمان پالس آنها، مقادیر معمولی LDT برای پالس های نانوثانیه و فمتوثانیه می تواند در چندین مرتبه بزرگی متفاوت باشد. هنگامی که با یک پالس 100 fs اندازه گیری می شود، مقدار LDT یک آینه لیزر معمولی ممکن است حدود 0.2 J/cm2 باشد. با این حال، هنگامی که با یک پالس 5 ns اندازه گیری می شود، LDT نوری ممکن است به 10 J/cm2 نزدیک تر باشد. این مقادیر مختلف ممکن است در ابتدا نگران کننده باشند، اما آنها صرفاً نشان دهنده مکانیسم های بسیار متفاوت آسیب در این مقیاس های زمانی هستند.

به همین دلیل، هنگام استفاده از ماشین‌حساب‌های LDT در مقیاس‌های زمانی بزرگ باید دقت بیشتری کرد. به طور کلی، با افزایش مدت زمان پالس، LDT بزرگتر می شود. اما تنظیم مقدار LDT از پالس‌های فمتوثانیه تطبیقی ​​به پالس‌های نانوثانیه سازگار، یا از پالس‌های نانوثانیه سازگار به پالس‌های فمتوثانیه سازگار، احتمالاً منجر به آسیب به اپتیک می‌شود. بهترین کار این است که اپتیکی با درجه بندی LDT مناسب انتخاب کنید که تا حد امکان نزدیک به شرایط کاربردی واقعی شما (از جمله طول موج، فرکانس تکرار و مدت زمان پالس) باشد.

خلاصه

فناوری لیزر برای رفع نیاز به دقت بیشتر به تکامل خود ادامه خواهد داد. همانطور که این فناوری‌های جدید شکل می‌گیرند، درک تفاوت‌ها در مکانیسم‌های آسیب لیزر (و اینکه کدام آسیب در مقیاس زمانی مشخص غالب است) در انتخاب اپتیک مناسب برای کاربردهای دنیای واقعی اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند. درک این تفاوت ها نه تنها کارایی و طول عمر سیستم های لیزری در حال استفاده را بهبود می بخشد، بلکه امکان تطبیق یکپارچه با سیستم های لیزری پیشرفته تر در آینده را نیز فراهم می کند.