Laser Induced Damage Threshold bei Hochleistungsoptiken

Optische Bauelemente, die in vielen modernen Bereichen Anwendung finden, durchlaufen in der Regel eine komplexe Produktionskette, die mit einer Vielzahl abrasiv wirkender Schritte einhergeht. Dabei wird das verwendete Material meist mittels spanender Verfahren in seiner Struktur oder Zusammensetzung so abgetragen oder spezifisch verändert, dass optische Substrate mit hohen Oberflächenqualitäten und Leistungseigenschaften entstehen. Dennoch können diese Herstellungsverfahren auf mikroskopischer Ebene Defekte und lokale Inhomogenitäten induzieren, die als Auslöser für laserinduzierte Schäden (LID = Laser induced Damage) fungieren und die Performance optischer Substrate unter hohen Belastungsbedingungen stark beeinträchtigen können. Dies gilt insbesondere für beschichtete Hochleistungslaseroptiken, die z.B. in Laseraufgaben mit hohen Intensitäten bestrahlt werden. Mit steigender Spitzenpulsleistung gilt es diese so zu optimieren, dass sie hohen Laserintensitäten schadensfrei standhalten können. Die moderne Forschung beschäftigt sich daher seit geraumer Zeit vermehrt mit der Frage, was die Auslöser laserinduzierter Schäden sind und wie diese verringert oder gar komplett verhindert werden können.

In diesem Blogartikel zum Thema Laser Induced Damage Threshold (kurz: LIDT) werden zunächst die fertigungsbedingten Ursachen für laserinduzierte Schäden, deren Bewertung/Klassifizierung sowie Maßnahmen zur Reduzierung von lokalen Inhomogenitäten näher beleuchtet. Im Anschluss erfolgt die Beleuchtung der Orte und Morphologien von laserinduzierten Schäden sowie die Beschreibung der gängigsten Messverfahren zur Bestimmung der laserinduzierten Schwelle.

Subsurface Damages als Ursache für laserinduzierte Schäden?

Harte und spröde Werkstoffe wie Keramiken, Glas oder Karbide, werden in Hochleistungsanwendungen aufgrund ihrer hervorragenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften häufig verwendet. Aufgrund ihrer hohen Härte und Festigkeit lassen sich diese jedoch nur schwer bearbeiten. Besonders im Bereich Hochleistungslaser- und Lithografiesysteme werden zudem hohe Anforderungen an die Oberflächenintegrität gestellt. Neben einer hohen Formgenauigkeit werden außerdem ultraglatte Oberflächen im niedrigen Ångström-Bereich benötigt.

Die wichtigsten Abkürzungen auf einen Blick

Hergestellt werden diese Hochleistungskomponenten durch präzise, deterministische Zerspanungsprozesse (Schleifen, Läppen, Polieren), die jedoch Mikrodefekte und Risse mit jeder neuen Prozessstufe in das Material induzieren können. Abbildung 1 veranschaulicht die Prozesskette zur Herstellung optischer Komponenten sowie die Rissschädigungen nach jedem Prozessschritt. Mikrodefekte können entweder an der Oberfläche selbst vorhanden sein oder, bedingt durch den spröden Charakter der amorphen Materialien, auch einige hundert Mikrometer tief in das Material hineinragen. Bezeichnet werden diese inneren Defekte als Subsurface (mechanical) Damages (SSD). Solche Rissstrukturen sind besonders schädlich für die Leistung und Lebensdauer optischer Komponenten und können die Laserschadensschwelle (LIDT) signifikant verringern.

Abbildung 1: klassische Prozesskette zur Herstellung optischer Komponenten inkl. Darstellung der verbleibenden Rissschädigungen

Abbildung 2 zeigt den stark vergrößerten, schichtweisen Aufbau einer anpolierten Glasoberfläche. Während des Polierprozesses entsteht eine geschlossene Schicht, die als teilweise geschmolzener Werkstoff in die Täler des Rauheitsprofils fließt und so die SSDs „versteckt“. Diese wird als Beilby-Schicht bezeichnet. Sie selbst kann eine amorphe oder mikrokristalline Struktur aufweisen und besteht aus einem stark hydratisierten, kaltverfestigten Material. Darüber hinaus kann sie Fremdstoffe oder Verunreinigungen beinhalten, die stark absorbierende, photoaktive Wirkungen erzeugen können. Daran angliedernd, befindet sich mit bis zu 100 µm tiefen Rissen, die SSD- bzw. Defekt-Schicht. Diese kann die Festigkeit des Materials schwächen und ebenfalls als Reservoir für Verunreinigungen dienen.

Abbildung 2: Aufbau einer anpolierten Glasoberfläche

Die Art der Rissverläufe, deren Tiefe und die resultierende Oberflächenrauheit hängen dabei sehr stark von den angewandten Prozessparametern (Schnittgeschwindigkeit, Schleifdruck, Korngröße und -form, Schleif- und Polierzeit) sowie von den mechanischen Eigenschaften des verwendeten Materials ab. Besonders für Hochpräzisionsanwendungen gilt es die Zone des defektfreien Materials ausgehend von der Beilby-Schicht schnell zu erreichen. Daher wird, wie in Abbildung 1 veranschaulicht, während des Fertigungsprozesses in der Regel ein mehrstufiger Prozess (Vor-, Fein- und Feinstschleifen) mit geeigneten Prozessparametern angewandt. Dieser hat das zentrale Ziel, die Rissschädigungen mit jeder Prozessstufe weitestgehend zu reduzieren bzw. zu eliminieren. Denn je geringer die Defekte und SSD ausgeprägt sind, desto weniger Aufwand muss in den nachfolgenden, z.T. zeitintensiveren Bearbeitungsschritten (Polierprozess) aufgebracht werden.

Defekte und SSDs beeinflussen zudem auch die Lebensdauer optischer Beschichtungen. Diese werden nach dem Fertigungsprozess auf optische Komponenten aufgebracht und machen eine anwendungsspezifische Anpassung der Reflexions- und Transmissionseigenschaften möglich. Allerdings leiden diese jedoch oft unter den schwerwiegenden strukturellen Mängeln, da es bei intensiver Laserbestrahlung zu einer erhöhten Oberflächenabsorption kommt, die zu Schädigungen an der optischen Oberfläche führen können. Neben der Laserzerstörschwelle (LIDT) und der Beschichtungsgüte beeinflussen SSDs auch die erreichbare Abbildungsqualität sowie die mechanischen Eigenschaften optischer Komponenten.

Charakterisierung von Subsurface Damage

Da die Toleranzen an die Oberflächenintegrität optischer Komponenten immer enger werden, gilt es diese Schäden an und unter der Oberfläche genaustens zu charakterisieren. Seit geraumer Zeit existieren dazu eine Vielzahl an Verfahren zur Schadenserkennung. Sie liefern nicht nur umfassende Informationen zu Größe, Art und Lage von SSDs, sondern gelten auch als Richtlinien für nachfolgende Bearbeitungsprozesse. Generell unterscheiden sich die Charakterisierungsmöglichkeiten in nicht-destruktive und destruktive Verfahren. Zu den nicht-destruktiven Verfahren gehören primär optisch basierte Verfahren, wie die Mikroskopie, Streulicht- und Fluoreszenzmessung oder die Weißlichtinterferometrie. Weiterhin werden auch Vorhersagemodelle oder die akustische Mikroskopie zur nicht-destruktiven Detektion von SSDs angewandt. Vielversprechend ist zudem die optische Kohärenztomographie (OCT), da sie einerseits zerstörungsfrei arbeitet und im dreidimensionalen Bereich quantitative Informationen zur Risstiefe sowie qualitative Informationen über die Rissmorphologie bereitstellt. In Abbildung 3 sind die Messprinzipien einiger ausgewählter Verfahren schematisch veranschaulicht.

Abbildung 3: Auswahl verschiedener nicht-destruktiver Messverfahren zur Detektion von SSDs (schematische Darstellung)

Neben den genannten Charakterisierungsmöglichkeiten finden vor allem destruktive Messverfahren in Industrie und Forschung Anwendung. Diese beinhalten vorwiegend chemische oder mechanische Verfahren, wie das Ion Beam Etching oder verschiedene Polierverfahren. Vorteil dieser Verfahren ist die Beseitigung schwerer Defekte sowie die Entfernung von Restspannungen im Material durch Ätz- oder punktuelle Poliervorgänge. Vor allem die Magneto-Rheological-Finishing (MRF)-Poliertechnik ist bisher das Mittel der Wahl zur Detektion von SSDs und wird in einigen Fällen auch mit Rasterkraftmikroskopie gekoppelt (MRF Wedge Technique). Neben der Entfernung von Restdefekten liefert diese Variante auch Informationen über das Rissprofil und deren Verlauf.

Prozesse zur Reduzierung und Vermeidung von Subsurface Damages

Das zentrale Ziel der modernen Optikfertigung ist die Vermeidung und Reduzierung der Rissstrukturen und Defekte. Aufgrund dieser Motivation etablierten sich einige Verfahren, die zur Reduzierung von SSD angewendet werden. Besonders punktuelle Polierverfahren, wie das MRF-Polieren oder Ionenstrahlpolieren (IBF) können nach chemischen Ätzvorgängen eingesetzt werden, um die Ebenheit und die LID-Beständigkeit zu verbessern. Zusätzlich wurden auch spezielle chemische Prozessketten entwickelt, die als „Advanced Mitigation Process“ bezeichnet werden. Durch einen speziellen chemischen Prozess, der Verunreinigungen und Mikrorisse beseitigt, kann die Widerstandsfähigkeit optischer Oberflächen gegenüber Laserschäden erheblich verbessert werden.

Zudem wurden auch Parameteranpassungen und neue Verfahren während des Schleifprozesses entwickelt. Reduzierungen der Korngröße, sowie der Einsatz von ultraschallgestützten Schleifprozessen (UAG) führen zu signifikanten Reduzierungen der SSD-Tiefe. Darüber hinaus verfügen sprödharte Materialien auf mikroskopischer Ebene (< 1µm) über ein gewisses elastisches (duktiles) Verhalten. Begrenzt man den Eingriff der Schneidkörner auf diesen Bereich, kann auch für sprödharte Gläser ein duktiler Schliff, ähnlich wie bei metallischen Werkstoffen erreicht werden. Dies ist vorteilhaft, da so die Ausbildung von Mikrorissen wesentlich verringert werden kann.

Orte und Morphologie laserinduzierter Schäden

Im ersten Teil des Blogartikels wurden die Ursachen, Messverfahren und Maßnahmen zur Reduzierung laserinduzierter Schäden vorgestellt. Die Beschädigungen an Hochleistungslaserkomponenten resultieren unter anderem aus abrasiven Bearbeitungsschritten im Herstellungsprozess und können im Material selbst, auf der Oberfläche der Optik oder an optischen Beschichtungen entstehen (Vgl. Abb. 4). Schädigungen dieser Art können die Belastbarkeit optischer Materialien und Beschichtungen stark reduzieren sowie die Ausgangsleistung von Lasersystemen limitieren. Je nach Ort können LID unterschiedliche Morphologien aufweisen, wobei nachfolgend die gängigsten aufgeführt sind:

• Ablösungen an Beschichtungen: Laserschäden, die aus thermisch induzierter Laserleistung resultieren und Blasenbildung auf Beschichtungen begünstigen (Abb. 4A)
• Punktförmige Schäden: treten bei dielektrischen Materialien mit absorbierenden Partikeln auf (Abb. 4B)
• Brüche und Risse: Bestrahlung mit hoher Laserleistung führt zu lokalen Temperaturunterschieden, welche zu Dehnungen, Spannungen, plastischen Verformungen und Bruch im Substratmaterial führen (Abb. 4C)

Abbildung 4: Schematische Darstellung unterschiedlicher Positionen von laserinduzierten Schäden

Die Entstehung und das Ausmaß der Beschädigung wird im Wesentlichen durch thermische und elektrische Mechanismen ausgelöst, wobei diese neben den fertigungsbedingten Faktoren auch von Umgebungsbedingungen (Temperatur, Vakuum, Verunreinigungen etc.) und spezifischen Laserbestrahlungsparametern (Wellenlänge, Pulsdauer, räumliches Strahlprofil etc.) abhängen. Besonders anfällig für laserinduzierte Schäden sind in diesem Zusammenhang die Oberfläche und Beschichtung optischer Substrate. Gerade optische Beschichtungssysteme neigen dazu, die Oberflächenfehler des Substrates zu übernehmen oder sogar zu verstärken. Aus diesem Grund ist es in Beschichtungs- und Oberflächenvorbereitungsmaßnahmen wichtig, jegliche Formen von Ablagerungen oder Kontaminationen zu vermeiden. Die genannten Effekte können jedoch auch durch Risse, Rillen oder andere Oberflächenunvolkommenheiten verstärkt werden. Zudem beeinflusst auch die Oberflächenrauheit die Laserschadensschwelle (LIDT), da diese mit steigender Rauigkeit verringert wird.

Verfahren zur Bestimmung der LIDT-Werte

Die Verfahren zur Bestimmung von LIDT-Werten sind in der DIN ISO 11254 genormt und decken die meisten Laseranwendungen ab. Der dabei bestimmte LIDT-Wert gibt die Zerstörschwelle der Oberfläche an, da die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung dort höher ist, als am Trägersubstrat. Insbesondere Beschichtungen weisen in diesem Zusammenhang die geringste Leistungsfähigkeit auf. Daher werden Laseroptiken mit speziellen LIDT-Tests getestet und charakterisiert. Hierfür werden entweder „zerstörerische“ Single- oder Multi-Shot-Tests angewandt, bei denen die Optik mit einer definierten Laserspitzenintensität bestrahlt und anschließend mikroskopisch nach Beschädigungen untersucht wird. Dabei werden mehrere Untersuchungsschritte durchgeführt, wobei die Laserspitzenintensität mit jedem Schritt erhöht wird. Nach DIN ISO 21254 gilt jede nachweisliche Veränderung an der Probe als Beschädigung. Ziel dieser Prüfverfahren ist die Bestimmung der Betriebsgrenzen sowie die Qualifizierung einer Optik für die Anwendung in einem bestimmten System. Die Angabe der LIDT-Schwelle erfolgt dabei über die Laserspitzenintensität, jedoch immer mit der Angabe der während der Prüfung verwendeten Pulsdauer.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen vier verschiedenen Prüfverfahren:

• 1-on-1-Test,
• S-on-1-Test,
• R-on-1-Test und
• Rasterscan-Methode

die nachfolgend erläutert werden.

1-on-1-Test

Als ISO zertifizierter LIDT-Test ist der 1-on-1-Test bestens geeignet, um Fertigungsprozesse zu optimieren und gilt darüber hinaus als einfaches und leicht zu interpretierendes Verfahren zur Bestimmung der LIDT. Für den Test wird die Probenoberfläche in eine Matrix bzw. ein Testmuster aus räumlich getrennten Stellen unterteilt (Vgl. Abbildung 5), die anschließend über einen Laser mit einer vorgewählten Pulsenergie und Laserspitzenintensität einmalig bestrahlt wird. Nach jedem Puls wird die Energie und der Zustand des bestrahlten Ortes aufgezeichnet, nach Beschädigungen untersucht und anschließend die Schadenswahrscheinlichkeit berechnet. Dieser Vorgang wird für alle weiteren Stellen unter Erhöhung der Pulsenergie so lange wiederholt, bis die Schadenswahrscheinlich 100 % beträgt. Laut DIN ISO entspricht der Schwellwert der größten Menge, der auf die optische Oberfläche auftreffenden Laserstrahlung, für die die extrapolierte (= geschätzte) Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung Null ist. Die eigentliche Berechnung der LIDT entspricht einer Abschätzung in Abhängigkeit von der angewandten Pulsenergie durch geeignete Extrapolationsmodelle.

Abbildung 5: Schematische Darstellung des 1-on-1-Test

S-on-1-Test

Anders als der 1-on-1-Test, entspricht das Prüfverfahren des S-on-1-Test einem Multi-Shot-Verfahren. Auch bei diesem Test wird die Probenoberfläche in eine definierte Matrix mit räumlich gut getrennten Teststellen eingeteilt. Die jeweiligen Prüfstellen werden dabei jedoch nicht nur einmalig mit einem Laserpuls bestrahlt, sondern mit einer Vielzahl an Laserschüssen gleicher Intensität (idR. ~10-1000 Schüssen bei niedriger Wiederholrate). Wie auch beim 1-on-1-Test erfolgt mit jeder neuen Testsequenz eine Erhöhung der Intensität. Für die Bestimmung der LIDT wird die Anzahl der Pulse, die bis zum Auftreten einer Schädigung verstrichen sind, aufgezeichnet und zur Bewertung in Abhängigkeit der LIDT von der Anzahl der verwendeten Pulse herangezogen. Sollte während der Testung eine Beschädigung auftreten, wird die Belichtung unterbrochen, um eine weitere Zerstörung der Probe zu verhindern. Vorteilhaft ist die hohe Flexibilität des Testverfahrens, da verschiedene Pulswiederholungsraten angewandt werden können. Zudem liefert diese Testvariante eine deutlich bessere Vorhersage über die reale Leistung der Optik, weshalb der S-on-1-Test das Verfahren der Wahl zur Bestimmung des genauen LIDT-Wertes ist. Als Ergebnis erhält man eine praxisgerechte Aussage in Form einer Schädigungskurve, die die Energiedichtewerte für ausgewählte Schädigungswahrscheinlichkeiten in Abhängigkeit von der Anzahl der Pulse anzeigt.

Abbildung 6: Schematische Darstellung des S-on-1-Test

R-on-1-Test

Im Vergleich zu den beiden zuvor beschriebenen Testverfahren, handelt es sich beim R-on-1-Test um keinen ISO zertifizierten LIDT-Test. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass es sich um einen „Rampentest“ handelt, bei dem der Probentest an einer Stelle erfolgt und die Laserintensität schrittweise erhöht wird, bis eine Schädigung auftritt (Vgl. Abbildung 7). Aus diesem Grund ist diese Methode sehr zeitaufwendig, da das Prinzip je nach Probengröße und Größe des Laserspots für eine große Anzahl von Prüfstellen wiederholt und dabei jeweils mit der gleichen Anfangsintensität begonnen werden muss. Zudem erfolgt die Ermittlung der Schadensintensität nicht wie bei den ISO zertifizierten Test durch Extrapolation der Schadenswahrscheinlichkeit. Vielmehr wird für die LIDT die größte Fluenz, bei der die Schadenswahrscheinlichkeit Null beträgt, verwendet. Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu garantieren, sollten die Rampenabstufungen darüber hinaus möglichst klein gewählt werden.

Abbildung 7: Schematische Darstellung des R-on-1-Test

Rasterscan-Methode

Die Rasterscan-Methode ist ebenfalls nicht ISO zertifiziert, findet aber aufgrund der stetig steigenden Anforderungen an optische Komponenten vermehrt Anwendung. Es handelt sich hierbei um eine Methode, die deutlich größere Spotdurchmesser verwendet (1 mm tastet 1 cm² ab), wodurch sich Überschneidungen ergeben und so ein größerer Anteil der Oberfläche getestet werden kann. Aus diesem Grund eignet sich die Testmethode auch für großflächige Optiken, da auch seltene Defekte lokalisierbar sind. Die Bestimmung der Leistungsfähigkeit der Probe erfolgt, indem ein Mehrfachpuls durch einen Rasterscan durchgeführt wird. Die Abtastung erfolgt analog zum R-on-1-Testverfahren, indem ein Punkt der Probe bestrahlt und stetig die Fluenz erhöht wird, bis eine Schädigung auftritt. Die LIDT entspricht dabei allerdings der Intensität, bei der 10 oder mehr Schadensereignisse beobachtet werden.

Abbildung 8: Schematische Darstellung der Rasterscanmethode

LIDT bei Hochleistungsoptiken - Zusammenfassung

Dieser Blogartikel veranschaulicht die komplexe Produktionskette optischer Substrate mit hohen Oberflächenqualitäten und Leistungseigenschaften, welche insbesondere für hochleistungsstarke Laserkomponenten unerlässlich sind. Allerdings können diese Produktionsschritte mikroskopische Defekte, Inhomogenitäten sowie SSDs (kurz für Subsurface (mechanical) Damages) induzieren, die die Leistungsfähigkeit einer Laseroptik hinsichtlich ihrer Beschichtungsgüte, mechanischen Eigenschaft sowie Resistenz gegen Laserschädigungen herabsetzen. Aus diesem Grund existiert ein großes Interesse, die Schädigungen zu reduzieren. Insbesondere bei Einsätzen in hochanspruchsvollen Laseranwendungen, können Beschädigungen an unterschiedlichsten Positionen in verschiedensten Morphologien auftreten. Da diese Beschädigungen unter anderem abhängig von der Laserspitzenintensität sind, werden zur Spezifikation von Laseroptiken verschiedene Single- und Multi-Shot-Tests angewandt, um die Laserzerstörschwelle zu bestimmen. Dieser Wert erlaubt eine anwendungsspezifische Auswahl von optischen Komponenten und soll einen schnellen Verschleiß dieser vorbeugen.