UV レーザー光学部品は、レーザー誘起汚染 (LIC) と UV 疲労という 2 つの主な原因により寿命が制限される傾向があります。LIC は光学部品の表面への不要な物質の堆積によって引き起こされ、UV 疲労は累積的な汚れによって引き起こされます。光学部品に損傷を与える紫外線への曝露。 これら 2 つの損傷プロセスは、不可逆的な損傷が生じるまで、時間の経過とともに光学素子の性能を低下させます。
さまざまな環境で使用される 355 nm UV レーザー光学系の長期実験により、汚染と疲労の原因、および汚染された光学系を修復できる軽減戦略と洗浄技術に関する重要な洞察が明らかになりました。
レーザー誘起汚染 (LIC) とは何ですか
光学素子の汚染は、UV レーザー光がシステム内の粒子、水蒸気、有機物、その他の汚染物質と相互作用するときに発生する可能性があります。 これらの汚染物質は、周囲の空気、光学機械装置、およびシステム内のその他の物質に由来する可能性があります。 乾燥窒素によるエアレーションなどの軽減方法は役立ちますが、依然として LIC を引き起こす可能性があります。粒子状物質が蓄積すると、光路が遮られ、コンポーネントの機能が低下し、光学系のレーザー損傷閾値が低下する可能性があります。
熱伝導率が低いため、光学面に結露が発生することがよくあります。 これらの凝縮した水分子は、レーザーや表面材料と相互作用して LIC を開始する可能性があります。さらに、ガス放出やその他の空気中の分子汚染物質により、光学表面に炭素ベースの堆積物が生じることがよくあります。 図 1 では、LIC のツリー状の成長が観察されます。
2005 年に実施された研究では、LIC を引き起こすさまざまなレーザー相互作用が詳細に説明されました。 たとえば、光誘起の事前核生成には、UV 光とガラス表面との直接相互作用によって構築される分子層が含まれます。 十分に長時間露光した後、この蓄積の密度は飽和レベルにあることが示されました。
周囲のガスとの相互作用によって、汚染物質が堆積する可能性もあります。 400 ナノメートル未満の UV 波長での光子エネルギーは、一般的な分子 (O2、CO2、CO、N2 など) の結合エネルギーに近づき始めます。 これにより、UV 光によってこれらの結合の一部が破壊され、光学表面を汚染する可能性のある他のイオンや分子が生成されます。
紫外線疲労とは何ですか？
環境によって引き起こされる LIC に加えて、コーティングや基板に使用される材料は、光源の強度がレーザー誘起損傷しきい値 (LIDT) を下回っていても、光学疲労のプロセスにより時間の経過とともに劣化しやすくなります。
紫外線疲労の概念は本の装丁にたとえられます。 軽い使用でも磨耗する可能性があります。 Edmund Optics が実施した UV 疲労実験では、真空などの特定の条件下では、UV レーザー照射が UV 疲労効果を引き起こす可能性があることが示されました。LIC と UV 疲労の際立った特徴は、LIC が累積的なプロセスであるのに対し、疲労は紫外線の破壊であることです。材質が劣化し、変色やその他の固有の変化が生じ、場合によっては材質が除去される可能性もあります。
この明らかな光学性能の低下の条件とメカニズムを決定する 2 つの現象は、短パルス レーザー領域の単一パルス損傷閾値を下回っています。
最初のメカニズムは屈折率の変更に基づいており、光学素子上の局所的な光強度を増加させるレンズ効果を引き起こします。
2 番目のメカニズムには、自己トラップ励起子の形成による光誘起欠陥の形成が含まれ、これにより吸収中心が蓄積され、光学的効率が失われます。
LIC 疲労と光学疲労は両方とも、程度は低いものの、可視波長と赤外波長のレーザーで発生する可能性があります。 ただし、UV 光子のエネルギーが高いため、このスペクトル範囲で発光するシステムではこれらの影響がより一般的になります。
調査会社MarketWatch3によると、UVレーザー市場は近年急速に成長しており、2022年から2028年までに5.4%のCAGRで成長すると予想されています。 高出力 UV レーザーは、印刷、医療、微細加工、半導体処理、積層造形などのアプリケーションにおいて重要な要素となっています。LIC および UV 疲労により、時間の経過とともにこれらのシステムのパフォーマンスが低下し、光学コンポーネントの定期的な交換が必要になります。 これにより、UV レーザー システムの維持コストが大幅に増加し、システム効率が低下します。 システムの LIDT が低下すると、レーザーによる損傷によって引き起こされる壊滅的なシステム障害のリスクも高まる可能性があります (図 2)。
LIC疲労とUV疲労の分析
実験は、UV レーザー システムの光学コンポーネントの劣化プロセスをシミュレートし、潜在的な汚染源を調査し、さまざまな是正措置を検討するのに役立ちます。 そのような研究の 1 つでは、{{0}}nm、10- ～ 20- ナノ秒パルス レーザーを使用して UV レーザー照射によって引き起こされる LIC と光学的疲労の変化を分析する実験が行われました。 0.6 ミリジュール/パルス、ビーム直径 0.6 mm。 このテストベンチの概略図を図 3 に示します。
バーンボックスの「燃焼室」は、ビームエキスパンダーなどの UV レーザーシステムがどのように影響を受けるかをシミュレートするいくつかの反射防止窓で構成されています。 バーンボックスを使用すると、隔離された実験環境を並行して実行できます。 半波長シートと偏光ビーム スプリッター キューブにより、実験における各光路の平均パワーを制御できました。 適合する一対のエネルギーメーターが平均レーザーパワーを測定しました。 これにより、テストされた光学部品の疲労および/または汚染による透過率の低下が監視されました。
図 3. UV レーザー システムの光学素子の劣化をシミュレートし、潜在的な汚染源を調査し、さまざまな是正措置を検討するために開発された UV 暴露テスト ベッドの概略図。 ar: 反射防止窓。 fs: コーティングされていない溶融シリカ窓。 hr: 高反射ミラー。 hwp: 半波長板。 pbc: 偏光ビームスプリッターキューブ。
実験は毎日継続的な測定で実行されました。 毎日の測定では、ハウジングを開け、エネルギー計を図 3 に示す各測定位置 (通常はビームティッパーが含まれる位置を含む) に置き、3- 分間測定を行いました。 連続測定では、通常ビームティッパーが設置されている位置とは別の測定位置にエネルギー計を 2 台設置しました。 その後、エネルギー メーターは、次の毎日の測定まで 30 分ごとに平均電力を記録しました。 環境チャンバーを使用すると、真空条件やガスの存在など、さまざまな条件の個別の影響を調査できます。 各実験の最後に、研究者は微分干渉コントラスト顕微鏡を使用して窓表面の汚染物質を観察できるようになりました。
図 4. ここに示されている、以前は透明だった光学部品の不透明な白い汚染は、UV レーザーにさらされた後のレーザー誘起汚染 (LIC) によるものです。 画像クレジット: Edmund Optics 提供
一般的な実験結果
燃焼室により、並行した隔離研究と、ビームエキスパンダーなどのレーザー光学コンポーネントのより現実的なシミュレーションが可能になりました。 初期の実験では、ねじ潤滑剤、陽極酸化アルミニウム、および新しいバイトン O リングが、他の多くのタイプの光学アセンブリの UV システムにおける一般的な汚染源であることが示されました。 これらの要因を取り除くと、テストされる光学部品の寿命を延ばすことができます。
バイトン O リング: 新品未開封の O リングでは、テスト開始から 4 日後に燃焼室の窓の透過率が低下し始め、7 日後には完全に不透明になりました。 テスト後、汚染された光学表面に乳白色の霧が形成されました (図 4)。 使用前に O リングをベーキングするとガスの発生がある程度防止され、その結果、1 週間後に透過率が完全に失われるのではなく、5 週間後には透過率が 6% 失われます。 O リングを真空中に置くか、清潔な環境で自由に呼吸させることは、ベーキングするのと同じくらい効果的です。
陽極酸化アルミニウム: 陽極酸化表面には、使用中に放出される可能性のある汚染物質を捕捉する細孔が含まれています。 さらに、陽極酸化された材料は紫外線にさらされると反応する可能性があります。
ステンレス鋼: 陽極酸化アルミニウムではなく、洗浄したステンレス鋼を使用した実験では、7 週間後に重大な劣化は観察されませんでした。
インジウム: インジウムのホイルシールは、O リングと比較して、紫外線疲労に対する高い耐性を提供します。
追加の実験は、光学部品の温度がどのようにLICの増殖を促進するか、毎日の清掃が汚染物質の蓄積を防ぐかどうか、システムに乾燥空気を吹き付けることがプラスの効果をもたらすかどうかをテストするために行われました。 これらの新しい実験は、355 nm の UV 露光を超えて 266 nm の波長テストに移行しています。
要約する
多くのレーザー システムがより高いエネルギーとより高い解像度を利用するためにより短い波長に移行する傾向にあるため、UV 疲労と LIC を理解して軽減することはますます重要になります。 355 nm での実験結果は、従来の O リングと陽極酸化アルミニウムをシステムで使用した場合、LIC はわずか 1 週間で UV レーザー光学系を完全に不透明にすることができることを示しています。 幸いなことに、これらの影響は、O リングをインジウムシールに交換し、陽極酸化アルミニウムをステンレス鋼に交換し、周囲をできるだけきれいにすることで大幅に軽減できます。 UV レーザー システムを開発する場合は、この記事で説明されているように、システムの LIC および UV 疲労に対する耐性を高める方法について光学サプライヤーに相談してください。
