Prahová hodnota laserem indukovaného poškození u vysoce výkonných laserových optických prvků

Optické komponenty, například v různých high-tech aplikacích, obvykle procházejí složitým výrobním řetězcem zahrnujícím několik brusných a lešticích stupňů. Během těchto procesů je odstraňována část struktury nebo složení použitého materiálu, aby vznikly optické podložky s vysoce kvalitními povrchy a vynikajícími vlastnostmi. Tyto výrobní operace však mohou také způsobit mikroskopické defekty a lokální nehomogenity, které mohou vést k poškození laserem (LID) a výrazně zhoršit výkon optických podložek při vysokém zatížení. To platí zejména pro povlakované optiky pro vysokovýkonné lasery, pokud jsou vystaveny vysoké intenzitě. Čím vyšší špičkový výkon pulsu, tím více je třeba optimalizovat komponenty, aby vydržely vysokou laserovou intenzitu bez poškození. V poslední době výzkumníci zkoumají příčiny LID a možnosti jeho snížení či úplné prevence.

Tento blogový článek o prahu poškození laserem (LIDT) se nejprve zaměří na příčiny LID během výroby. Dále vysvětlí, jak se toto poškození hodnotí a klasifikuje, a představí způsoby snížení lokálních nehomogenit. Druhá část se bude zabývat polohami a morfologií LID a popíše hlavní měřicí techniky používané k určení LIDT.

Způsobuje poškození pod povrchem laserem indukované poškození?

Tvrdé, křehké materiály, jako jsou keramika, sklo a karbidy, se hojně používají ve vysoce výkonných aplikacích díky vynikajícím fyzikálním a mechanickým vlastnostem. Jejich tvrdost a pevnost však činí zpracování obtížným. Navíc je u systémů pro vysokovýkonné lasery a litografii nezbytná vysoká integrita systému. Kromě přesné rozměrové přesnosti se vyžadují i ultrahladké povrchy v nízkém řádu Ångströmů (Ångströmské leštění).

Zkratky

Tyto vysoce výkonné komponenty jsou vyráběny pomocí přesných, deterministických obráběcích procesů, jako je broušení, lapování a leštění. Každý další výrobní stupeň však může indukovat mikroskopické defekty a trhliny v materiálu. Obrázek 1 znázorňuje výrobní řetězec optických komponent a poškození trhlinami po jednotlivých stupních. Kvůli křehkosti amorfních materiálů se mikroskopické defekty mohou objevit na povrchu a pronikat až několik stovek mikrometrů do materiálu. Tyto vnitřní defekty se označují jako poškození pod povrchem (mechanické, SSD). Takové trhlinové struktury výrazně snižují výkon a životnost optických komponent a mohou výrazně snížit LIDT.

Fig. 1: Konvenční výrobní řetězec optických komponent včetně detailu zbytkového poškození trhlinami

Diagram na Obr. 2 ukazuje velmi zvětšený pohled na vrstvenou strukturu žíhaného skla. Během leštění se vytváří uzavřená vrstva, která proudí do údolí profilu drsnosti jako částečně roztavený materiál a „zakrývá“ SSD. Tato vrstva je známá jako Beilbyho vrstva. Může mít amorfní nebo mikrokrytalickou strukturu a skládá se z vysoce hydratovaného, tvrdého materiálu. Dále může obsahovat cizí látky nebo nečistoty, které mohou způsobit silně absorbující, fotoaktivní účinky. Pod ní se nachází vrstva SSD (tj. defektní vrstva) obsahující trhliny až do hloubky 100 µm. Může oslabit materiál a sloužit jako rezervoár nečistot.

Fig. 2: Struktura žíhaného skleněného povrchu

Typ trhlinových cest, jejich hloubka a výsledná drsnost povrchu závisí značně na parametrech procesu (řezná rychlost, tlak broušení, velikost a tvar zrn, doba broušení a leštění) a na mechanických vlastnostech materiálu. Zejména u vysoce přesných aplikací je důležité rychle dosáhnout zóny materiálu bez defektů od Beilbyho vrstvy. Proto se, jak je uvedeno na Obr. 1, obvykle při výrobním procesu používá vícestupňový proces zahrnující předběžné broušení, jemné broušení, lapování a leštění s vhodnými parametry. Hlavním cílem je eliminovat nebo alespoň minimalizovat poškození trhlinami v každém stupni. Nižší SSD znamená menší náročnost následných, někdy časově náročnějších kroků (např. leštění).

Defekty a SSD také ovlivňují životnost optických povlaků. Ty se aplikují na optické komponenty po výrobě a umožňují přizpůsobit odrazové a propustné vlastnosti konkrétní aplikaci. Často však trpí vážnými strukturálními defekty kvůli zvýšené absorpci povrchu při intenzivní laserové expozici, což poškozuje optický povrch. Kromě prahu poškození laserem (LIDT) a kvality povlaku SSD snižuje i dosažitelnou zobrazovací kvalitu a mechanické vlastnosti optických komponent.

Charakterizace poškození pod povrchem

S očekáváním stále přesnějších tolerancí optických komponent je potřeba co nejpřesněji charakterizovat poškození na povrchu i pod ním. V současnosti se používají různé techniky detekce poškození. Kromě určení rozsahu, typu a polohy SSD poskytují i vodítko pro následné výrobní kroky. Tyto metody lze rozdělit na nedestruktivní a destruktivní. Nedestruktivní metody zahrnují především optické techniky, jako je mikroskopie, měření rozptýleného světla, fluorescenční měření a interferometrie bílého světla. Dalšími způsoby nedestruktivního měření SSD jsou predikční modely a akustická mikroskopie. Další slibnou nedestruktivní metodou je OCT (optická koherenční tomografie), trojrozměrná technika poskytující kvantitativní údaje o hloubce trhlin a kvalitativní informace o jejich morfologii. Diagramy na Obr. 3 ilustrují tři z těchto metod.

Fig. 3: Diagramy tří různých nedestruktivních metod používaných k detekci SSD

Kromě výše zmíněných metod se v průmyslu a výzkumu používají především destruktivní měřicí metody. Patří mezi ně chemické nebo mechanické procesy, jako leptání iontovým paprskem a různé lešticí techniky. Jejich výhodou je odstranění vážných defektů a eliminace zbytkového napětí v materiálu prostřednictvím leptání a lokálního leštění. Magnetoreologické leštění (MRF) je v současnosti preferovanou technikou pro detekci SSD a někdy se kombinuje s atomovou silovou mikroskopií (MRF wedge technika). Kromě odstranění zbytkových defektů poskytuje tento přístup i informace o profilech a cestách trhlin.

Procesy pro snížení a prevenci poškození pod povrchem

Hlavním cílem při výrobě moderní optiky je minimalizovat trhlinové struktury a defekty. Proto byly vyvinuty různé metody snižování SSD. Zejména lokální lešticí procesy, jako je MRF nebo IBF (iontové leštění), lze použít po chemickém leptání ke zlepšení hladkosti a odolnosti vůči LID. Dále byly vyvinuty speciální chemické procesní řetězce známé jako pokročilé mitigace. Odolnost optických povrchů vůči laserovému poškození lze výrazně zvýšit speciálním chemickým procesem odstraňujícím nečistoty a mikrotrhliny.

Také byly vyvinuty úpravy parametrů a nové procesy během broušení. Snížená velikost zrn a UAG (ultrazvukem asistované broušení) výrazně snižují hloubku SSD. Kromě toho mají tvrdé a křehké materiály na mikroskopické úrovni (<1 µm) určitou pružnou (tažnou) schopnost. Pokud se zapojení brusných zrn udrží v tomto rozsahu, je možné provádět tažné broušení podobné kovům i u tvrdého, křehkého skla. To výrazně snižuje tvorbu mikrotrhlin.

Poloha a morfologie poškození laserem

Poškození komponent vysokovýkonných laserů vzniká převážně během brusných a lešticích procesů výroby a může se objevit v materiálu samotném, na povrchu optiky nebo na optických povlacích (viz Obr. 4). Tento typ poškození může výrazně snížit odolnost optických materiálů a povlaků a omezit výstupní výkon laserových systémů. LID může mít různou morfologii v závislosti na místě výskytu. Nejčastější typy jsou:

• Ablace povlaku: Poškození laserem způsobené termálně indukovanou laserovou energií vedoucí k puchýřování povlaků (Obr. 4A)
• Lokální poškození: V dielektrických materiálech s absorpčními částicemi (Obr. 4B)
• Praskliny a trhliny: Expozice vysokovýkonným laserem vede k lokálním teplotním rozdílům, napětí, plastické deformaci a prasklinám v materiálu podložky (Obr. 4C)

Fig. 4: Diagram zobrazující různé polohy poškození laserem

Vývoj a rozsah poškození jsou do značné míry způsobeny tepelnými a elektrickými mechanismy, které jsou ovlivněny okolními podmínkami (teplota, vakuum, nečistoty), parametry laserového záření (vlnová délka, doba pulsu, prostorový profil svazku) a výrobními faktory. Povrch a povlaky optických podložek jsou obzvláště citlivé na LID. Systémy optických povlaků mají tendenci zachycovat či dokonce zvětšovat povrchové defekty podložky. Proto je důležité při přípravě povlaků a povrchů zcela eliminovat usazeniny a kontaminaci. Účinky uvedené výše však mohou být zvýšeny trhlinami, drážkami nebo jinými nedokonalostmi povrchu. Také drsnost povrchu ovlivňuje LIDT – s rostoucí drsností se snižuje.

Metody určení LIDT

Metody určení LIDT jsou standardizovány v DIN ISO 11254 a pokrývají většinu laserových aplikací. LIDT udává prahovou hodnotu poškození povrchu, protože zde je pravděpodobnost poškození vyšší než na nosné podložce. Povlaky mají zpravidla nejnižší odolnost. Proto se laserová optika testuje a charakterizuje pomocí speciálních LIDT testů. K tomu se používají buď „destruktivní“ single-shot nebo multi-shot testy, při kterých je optika ozářena definovanou laserovou špičkovou intenzitou a poté mikroskopicky zkontrolována. Postupně se provádí několik testovacích kroků se zvyšující se intenzitou pulsu. Podle DIN ISO se jakákoli pozorovatelná změna vzorku považuje za poškození. Cílem testů je určit provozní limity a kvalifikovat optiku pro konkrétní systém. LIDT je specifikován pomocí špičkové laserové intenzity (přičemž je nutné dokumentovat i dobu pulsu použitého při testu).

Existují čtyři základní testovací metody:

• 1-on-1 test
• S-on-1 test
• R-on-1 test
• Raster scan test

Níže jsou vysvětleny.

1-on-1 test

1-on-1 test (ISO certifikovaný LIDT test) je ideální pro optimalizaci výrobních procesů. Je také považován za jednoduchou a snadno interpretovatelnou metodu určení LIDT. Povrch vzorku je rozdělen do matice nebo testovacího vzoru prostorově oddělených testovacích bodů (viz Obr. 5), které jsou jednou ozářeny laserem s předem vybranou energií pulsu a špičkovou intenzitou. Po každém pulsu se zaznamená energie a stav ozářeného bodu. Vzorek se kontroluje na poškození a následně se počítá pravděpodobnost poškození. Proces se opakuje pro všechny ostatní body při zvyšování energie pulsu, dokud pravděpodobnost poškození nedosáhne 100 %. Podle DIN ISO odpovídá práh nejvyššímu množství laserového záření dopadajícímu na optický povrch, pro který je extrapolovaná pravděpodobnost poškození nulová. Výpočet LIDT se provádí vhodnými extrapolačními modely a představuje odhad v závislosti na aplikované energii pulsu.

Fig. 5: Diagram 1-on-1 testu

S-on-1 test

Na rozdíl od 1-on-1 testu zahrnuje S-on-1 test vícečetné ozáření. Povrch vzorku je opět rozdělen do definované matice s prostorově oddělenými testovacími místy. Místo jednoho pulsu jsou však testovací body ozářeny vysokým počtem pulzů stejné intenzity (obvykle 10–1 000 s nízkou frekvencí opakování). Stejně jako u 1-on-1 testu se intenzita zvyšuje s každou novou testovací sekvencí. K určení LIDT se zaznamenává počet aplikovaných pulzů před vznikem poškození a hodnotí se LIDT podle počtu pulzů. Pokud nastane poškození, ozáření se zastaví, aby se zabránilo dalšímu poškození vzorku. Výhodou této metody je vysoká flexibilita, protože lze použít různé frekvence opakování pulsu. Navíc poskytuje přesnější predikci skutečného výkonu optiky, proto je metoda S-on-1 preferovaná pro určení přesného LIDT. Vytváří se praktická křivka poškození zobrazující hodnoty hustoty energie pro zvolené pravděpodobnosti poškození v závislosti na počtu pulzů.

Fig. 6: Diagram S-on-1 testu

R-on-1 test

Na rozdíl od předchozích dvou metod není R-on-1 test ISO certifikovaný. Hlavní rozdíl je, že jde o „ramp test“, kdy je ozářena pouze jedna oblast vzorku a intenzita laseru se postupně zvyšuje, dokud nedojde k poškození (viz Obr. 7). Tato metoda je časově náročná, protože musí být princip opakován pro velký počet testovacích míst podle velikosti vzorku a laserového bodu; navíc musí být pokaždé použita stejná počáteční intenzita. Poškození se neurčuje extrapolací pravděpodobnosti, jako u ISO testů, ale nejvyšší fluence, při níž je pravděpodobnost poškození nulová, je považována za LIDT. Pro co nejvyšší přesnost by měly být stupně rampy co nejmenší.

Fig. 7: Diagram R-on-1 testu

Raster scan test

Raster scan metoda rovněž není ISO certifikována, ale je stále častěji používána vzhledem k rostoucím požadavkům na optiku. Používá mnohem větší průměry laserového bodu (1 mm skenuje 1 cm²), což umožňuje překryvy a testování větší části povrchu. Tato metoda je vhodná i pro velkoformátovou optiku, protože odhalí i vzácné defekty. Výkon vzorku se určuje opakovaným raster scan postupem. Skenování je analogické R-on-1 testu – bod na vzorku je ozářen a fluence se postupně zvyšuje, dokud nedojde k poškození. Rozdíl je, že LIDT odpovídá intenzitě, při níž dojde k deseti či více poškozením.

Fig. 8: Diagram raster scan testu

LIDT u optiky pro vysokovýkonné lasery – Shrnutí

Blogový článek o LIDT objasňuje složitý výrobní řetězec potřebný pro optické podložky s vysokou kvalitou povrchu a výkonnostními vlastnostmi, což je zvláště důležité u komponent pro vysokovýkonné lasery. Tyto výrobní kroky však mohou indukovat mikroskopické defekty, nehomogenity a SSD, které snižují kvalitu povlaků, mechanické vlastnosti a odolnost vůči laserovému poškození. Je zřejmý velký zájem o snižování takového poškození. Poškození může nastat na různých místech a mít různou morfologii. Protože je částečně závislé na špičkové intenzitě laseru, používají se různé single-shot a multi-shot testy k určení LIDT při specifikaci laserové optiky. LIDT umožňuje výběr optických komponent pro konkrétní aplikace s ohledem na prevenci rychlého opotřebení.