چگونه از اپتیک های لیزری در برابر خطرات آسیب UV محافظت کنیم

لیزرهای نوری UV به دو دلیل اصلی عمر محدودی دارند: آلودگی ناشی از لیزر (LIC) و خستگی UV. قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش که منجر به آسیب به اپتیک می شود. این دو فرآیند آسیب عملکرد عنصر نوری را در طول زمان کاهش می دهند تا زمانی که آسیب غیر قابل برگشت ایجاد شود.

آزمایش‌های طولانی‌مدت بر روی اپتیک‌های لیزر فرابنفش 355 نانومتری مورد استفاده در محیط‌های مختلف، بینش‌های کلیدی را در مورد منابع آلودگی و خستگی، و همچنین استراتژی‌های کاهش و تکنیک‌های پاک‌سازی که ممکن است اپتیک‌های آلوده را بازیابی کنند، نشان داده است.

آلودگی ناشی از لیزر (LIC) چیست؟

هنگامی که نور لیزر UV با ذرات، بخار آب، مواد آلی و سایر آلاینده‌های موجود در سیستم تعامل می‌کند، آلودگی عناصر نوری ممکن است رخ دهد. این آلاینده‌ها می‌توانند از هوای محیط، تجهیزات اپتومکانیکی و سایر مواد موجود در سیستم باشند. اگرچه روش‌های کاهش مانند هوادهی با نیتروژن خشک کمک می‌کنند، اما همچنان می‌توانند منجر به LIC شوند. هرگونه تجمع ذرات می‌تواند مسیر نوری را مبهم کند، عملکرد اجزا را تخریب کند و به طور بالقوه آستانه آسیب لیزری اپتیک را کاهش دهد.

تراکم اغلب بر روی سطوح نوری به دلیل هدایت حرارتی کم اتفاق می افتد. این مولکول‌های آب متراکم می‌توانند با لیزر و مواد سطحی برای شروع LIC تعامل کنند. رشد درخت مانند LIC را می توان در شکل 1 مشاهده کرد.

تحقیقات انجام شده در سال 2005 به تفصیل فعل و انفعالات لیزری مختلفی را که منجر به LIC می شود، تشریح کرد. برای مثال، پیش هسته‌زایی ناشی از نور شامل یک لایه مولکولی است که به دلیل برهمکنش مستقیم نور UV با سطح شیشه ایجاد می‌شود. پس از یک قرار گرفتن در معرض طولانی مدت، چگالی این تجمع در سطوح اشباع نشان داده شد.

تعامل با گازهای اطراف نیز ممکن است منجر به رسوب آلاینده ها شود. انرژی فوتون در طول موج های UV کمتر از 400 نانومتر شروع به نزدیک شدن به انرژی های پیوند مولکول های معمولی می کند (به عنوان مثال، O2، CO2، CO، N2، و غیره). این به نور UV اجازه می دهد تا برخی از این پیوندها را تجزیه کند و یون ها و مولکول های دیگری را ایجاد کند که می تواند سطوح نوری را آلوده کند.

خستگی UV چیست؟

علاوه بر LIC ناشی از محیط زیست، مواد مورد استفاده برای پوشش‌ها و بسترها در طول زمان به دلیل فرآیند خستگی نوری مستعد تخریب هستند، حتی اگر شدت منبع نور کمتر از آستانه آسیب ناشی از لیزر (LIDT) باشد.

مفهوم خستگی UV را می توان به صحافی کتاب تشبیه کرد. حتی استفاده سبک می تواند منجر به ساییدگی و پارگی شود. آزمایشات خستگی UV انجام شده توسط Edmund Optics نشان داده است که تحت شرایط خاص، مانند خلاء، تابش لیزر UV می تواند منجر به اثرات خستگی UV شود. ویژگی تمایز بین خستگی UV و UV این است که LIC یک فرآیند تجمعی است، در حالی که خستگی از بین بردن مواد، منجر به تغییر رنگ یا سایر تغییرات ذاتی و احتمالاً حذف مواد می شود.

دو پدیده ای که شرایط و مکانیسم های این کاهش ظاهری عملکرد نوری را تعیین می کنند، زیر آستانه آسیب تک پالس در رژیم لیزر کوتاه پالس هستند.

مکانیسم اول بر اساس اصلاح ضریب شکست است که منجر به یک اثر لنز می شود که می تواند شدت نور موضعی را در عنصر نوری افزایش دهد.

مکانیسم دوم شامل تشکیل عیوب نوری القا شده از طریق تشکیل اکسیتون های خودبه دام افتاده است که منجر به تجمع مراکز جذب و از دست دادن کارایی نوری می شود.

هم LIC و هم خستگی نوری می توانند در لیزرها در طول موج های مرئی و مادون قرمز اتفاق بیفتند، البته به میزان کمتر. با این حال، انرژی بالای فوتون‌های UV باعث می‌شود که این اثرات در سیستم‌هایی که در این محدوده طیفی ساطع می‌کنند، رایج‌تر شوند.

به گفته شرکت تحقیقاتی MarketWatch3، بازار لیزر UV در سال‌های اخیر به سرعت رشد کرده است و انتظار می‌رود بین سال‌های 2022 تا 2028 CAGR 5.4 درصد باشد. لیزرهای پرقدرت UV به عنصری کلیدی در کاربردهایی از جمله چاپ، پزشکی، میکروساخت، پردازش نیمه هادی و تولید مواد افزودنی تبدیل شده اند. خستگی ناشی از UV و LIC باعث می شود عملکرد این سیستم ها در طول زمان کاهش یابد و نیاز به جایگزینی دوره ای اجزای نوری آنها باشد. این امر به طور قابل توجهی هزینه نگهداری یک سیستم لیزر UV را افزایش می دهد و کارایی سیستم را کاهش می دهد. کاهش در LIDT سیستم همچنین ممکن است خطر خرابی فاجعه بار سیستم ناشی از آسیب ناشی از لیزر را افزایش دهد (شکل 2).

تجزیه و تحلیل خستگی LIC و UV
آزمایش‌ها به شبیه‌سازی فرآیند تخریب اجزای نوری در سیستم‌های لیزر UV، بررسی منابع احتمالی آلودگی و کشف اقدامات اصلاحی مختلف کمک می‌کنند. در یکی از این مطالعات، آزمایش‌هایی برای تجزیه و تحلیل تغییرات در LIC و خستگی نوری ناشی از تابش لیزر UV با استفاده از لیزر پالسی {{0}}nm، 10- تا 20- نانوثانیه انجام شد که تقریباً ساطع می‌کند. 0.6 میلی ژول در هر پالس، با قطر پرتو 0.6 میلی متر. نمودار شماتیک این میز تست در شکل 3 نشان داده شده است.

محفظه احتراق جعبه سوختگی متشکل از چندین پنجره ضد انعکاس است که نحوه تأثیرگذاری بر یک سیستم لیزر UV مانند یک گسترش دهنده پرتو را شبیه سازی می کند. Burn-box امکان اجرای موازی محیط های تجربی ایزوله را فراهم می کند. یک ورق نیمه موج و مکعب شکاف پرتو پلاریزاسیون اجازه کنترل میانگین توان هر مسیر نوری در آزمایش را داد. یک جفت انرژی سنج منطبق، میانگین توان لیزر را اندازه گیری می کند. این تخریب انتقال در طول زمان خستگی و/یا آلودگی اپتیک آزمایش شده را کنترل می کرد.

شکل 3. شماتیک بستر آزمایش قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش که برای شبیه سازی تخریب عناصر نوری در سیستم های لیزر UV، برای بررسی منابع بالقوه آلودگی و کشف اقدامات اصلاحی مختلف ایجاد شده است. ar: پنجره ضد انعکاس. fs: پنجره سیلیکا ذوب شده بدون پوشش. hr: آینه بسیار بازتابنده؛ hwp: صفحه نیمه موج; pbc: مکعب شکاف پرتو پلاریزاسیون.

آزمایش ها با اندازه گیری های روزانه و مداوم انجام شد. اندازه‌گیری‌های روزانه شامل باز کردن محفظه و قرار دادن انرژی‌سنج در هر یک از موقعیت‌های اندازه‌گیری نشان‌داده‌شده در شکل 3، از جمله موقعیتی که معمولاً حاوی تیپر است، برای اندازه‌گیری 3- دقیقه‌ای است. اندازه‌گیری‌های مداوم شامل قرار دادن دو انرژی‌سنج در موقعیت‌های اندازه‌گیری غیر از موقعیتی بود که معمولاً شامل تخلیه کننده پرتو است. سپس انرژی سنج ها میانگین توان را هر 30 دقیقه تا اندازه گیری روزانه بعدی ثبت کردند. یک محفظه محیطی امکان بررسی اثرات گسسته شرایط مختلف، مانند شرایط خلاء یا وجود گاز را فراهم می‌کرد. در پایان هر آزمایش، یک میکروسکوپ کنتراست تداخلی دیفرانسیل به محققان این امکان را می داد که آلودگی ها را روی سطح پنجره مشاهده کنند.

شکل 4. آلودگی سفید مات در اپتیک های شفاف قبلی نشان داده شده در اینجا به دلیل آلودگی ناشی از لیزر (LIC) پس از قرار گرفتن در معرض لیزر UV است. اعتبار تصویر: با حسن نیت از Edmund Optics
 

نتایج تجربی عمومی

محفظه احتراق امکان مطالعات جداسازی موازی و شبیه سازی واقعی تر اجزای اپتیک لیزری مانند گسترش دهنده پرتو را فراهم می کند. آزمایش‌های اولیه نشان داد که روان‌کننده‌های رزوه‌ای، آلومینیوم آنودایز شده و حلقه‌های O-رینگ جدید Viton منابع رایج آلودگی در سیستم‌های UV در بسیاری از انواع دیگر مجموعه‌های نوری هستند. حذف این عوامل می تواند عمر اپتیک آزمایش شده را بهبود بخشد.

حلقه‌های اورینگ ویتون: با اورینگ‌های جدید و باز نشده، ضریب عبور پنجره محفظه احتراق چهار روز پس از آزمایش شروع به کاهش کرد و پس از هفت روز کاملاً مات شد. پس از آزمایش، یک غبار سفید شیری روی سطوح نوری آلوده تشکیل شد (شکل 4). پختن حلقه‌های اورینگ قبل از استفاده از درجاتی از خروج گاز جلوگیری می‌کند، که منجر به از دست دادن 6% انتقال در پنج هفته به جای از دست دادن کامل انتقال پس از یک هفته می‌شود. قرار دادن اورینگ ها در خلاء یا اجازه دادن به آنها در یک محیط تمیز تنفس آزادانه به اندازه پختن آنها موثر است.

آلومینیوم آنودایز شده: سطوح آنودایز شده حاوی منافذی هستند که آلاینده هایی را که می توانند در حین استفاده آزاد شوند، به دام می اندازند. علاوه بر این، مواد آنودایز شده ممکن است تحت قرار گرفتن در معرض UV واکنش پذیر شوند.

فولاد ضد زنگ: آزمایش‌هایی که از فولاد ضد زنگ تمیز شده به جای آلومینیوم آنودایز شده استفاده می‌کردند، پس از هفت هفته تخریب قابل‌توجهی مشاهده نکردند.

ایندیوم: فویل مهر و موم ایندیم مقاومت بالاتری در برابر خستگی UV نسبت به حلقه های O ایجاد می کند.

آزمایش‌های بیشتری برای آزمایش اینکه چگونه دمای اپتیک باعث رشد LIC می‌شود، آیا تمیز کردن روزانه از تجمع آلاینده‌ها جلوگیری می‌کند و آیا دمیدن هوای خشک روی سیستم تأثیر مثبتی دارد یا خیر، انجام شد. این آزمایش های جدید فراتر از قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش 355 نانومتر و آزمایش طول موج 266 نانومتر هستند.
 

خلاصه کردن

درک و کاهش خستگی UV و LIC اهمیت فزاینده ای پیدا می کند زیرا بسیاری از سیستم های لیزر تمایل دارند به سمت طول موج های کوتاه تر حرکت کنند تا از انرژی بالاتر و وضوح بالاتر استفاده کنند. نتایج تجربی در 355 نانومتر نشان داده است که LIC می‌تواند اپتیک لیزر UV را در کمتر از یک هفته کاملاً مات کند اگر از حلقه‌های O-رینگ معمولی و آلومینیوم آنودایز شده در سیستم استفاده شود. خوشبختانه، این اثرات را می توان با جایگزینی O-rings با مهر و موم ایندیوم، جایگزینی آلومینیوم آنودایز شده با فولاد ضد زنگ و تمیز کردن محیط اطراف تا حد امکان کاهش داد. هنگام توسعه یک سیستم لیزر UV، با تامین کننده اپتیک خود صحبت کنید تا دریابید که چگونه سیستم خود را در برابر خستگی LIC و UV مقاوم کنید همانطور که در مقاله توضیح داده شد.