آسیب لیزری
-

آسیب لیزری

خلاصه:LID
تعریف: آسیب اجزای نوری که توسط تشعشع لیزری ایجاد میشود
نور لیزر میتواند شدتهای نوری بسیار زیادی داشته باشد زیرا این نور معمولا به صورت اشعه لیزر با ابعاد عرضی کوچک فرستاده میشود و علاوه بر آن به شکل پالسهای لیزر کوتاه یا حتی بسیار کوتاه تولید میشود. بنابراین نور لیزر معمولا باعث آسیب لیزری اجزای نوری مانند آینه ها، فیبرهای نوری، مواد کریستالی غیر خطی، منشورها، فیلترهای نوری، کنترل کننده های نوری (optical modulators) و جاذب های اشباع شونده، آشکاسازهای نوری و SESAM ها میشود. برای کاربردهای مختلف باید اجزای نوری با آستانة آسیب نوری (LIDT) بالا به میزان کافی انتخاب شوند. از طرفی، تغییرات ایجاد شده با نور میتواند در روشهای مختلف فرآوری مواد با لیزر مورد استفاده قرار بگیرد.
آسیب نوری یک عبارت عمومی تر از آسیب لیزری است. اگرچه آسیب نوری خیلی به ندرت با منابع نوری دیگر اتفاق می افتد.


شکل1- آسیب لیزری برروی آینة دی الکتریک که درخلا کار میکرد. عکس با اجازه از LIDARS چاپ شده است.

تشعشع لیزر موج-پیوسته معمولا باعث آسیب تنها در توانهای بالا میشود مگر آنکه ماده ای که لیزر به آن برخورد میکند دارای جذب بسیار بالای نور لیزر باشد. در اینجا مکانیزم معمول آسیب، گرم شدن زیاد ماده است که باعث تخریب شمیایی و در بعضی موارد باعث سوختن میشود. همچنین ممکن است آن بخش دچار شکست بر اثر تنشهای القایی گرمایی شود. یک تمایل بالا برای آسیب گرمایی در اجزایی اتفاق می افتد که جذب بالایی دارند؛ مثلا برای آینه های پوشش فلزی و فیلترهای چگال طبیعی جاذب. آسیب نوری تخریبی که در سطوح دیودهای لیزری اتفاق می افتد نیز جزو همین اثرات حرارتی است.

بیشتر آسیب در حالت پالسهای لیزری قوی اتفاق می افتد.
آسیب لیزری بیشتر در پالسهای شدید و قوی (که در لیزرهای Q-switch و تقویت کننده ‌های فوق سریع تولید میشوند) مطرح است. برای مثال، اگر انرژی پالس 10 میلی ژول و عرض پالس 10 نانوثانیه باشد، قلة توان 1 مگاوات میشود. اگر چنین اشعه ای با شعاع 10 میکرون متمرکز شود شدت قله نوری بالایی در حد 300 گیگاوات بر سانتی متر مربع بدست می آید. برای پالسهای بسیارکوتاه تقویت شده شدتهای قله از این مقدار هم بسیار بالاتر می رود. اگرچه آستانة آسیب بصورت شدت نوری حتی از این مقدار هم میتواند بالاتر باشد.
برای شدتهای خیلی بالا تمرکز در خود غیر خطی ممکن است در داخل نمونه اتفاق بیافتد که حتی ممکن است باعث افزایش شدتها نیز بشود. برای مثال، تمرکز در خود تخریبی در فیبرهای سیلیسی میتواند در سطوح توانی چند مگاوات اتفاق بیافتد.

آستانه های تخریب مواد محتلف خیلی با هم تفاوت دارند.
اجزای نوری دارای آستانة آسیب مختلفی هستند. آینه های لیزری دارای مقادیر بالایی هستند اما تفاوت های زیادی بین انواع مختلف پوششهای آینة دی الکتریک وجود دارند که بخاطر استفاده از مواد یا طراحی های لایه های مختلف است. برای مثال، طراحی آینة دی الکتریک برای آینه های پخش کننده (که برای جبران پراکندگی لازم است) باید بگونه ای باشد تا شدتهای بالای نوری را از خود عبور دهند و در نتیجه آستانه های آسیب پایین تری دارند. اجزای سخت (مانند صفحه های موجی و پلارایزها) بطور طبیعی نسبت به تشعشع لیزر بیشتر از اجزای غیرسخت حساس هستند. بعضی وقتها بین بیشترین آستانة آسیب و بهترین عملکرد تعادل برقرار می شود.


 
شکل2- آسیب لیزری برروی آینة دی الکتریک
  • آسیب شامل شکست بر اثر لیزر
توانایی بالقوه پالسهای لیزر قوی در ایجاد آسیب بیشتر بر اساس فرآیندهای غیر خطی است که درصد انرژی جذب شده را افزایش میدهند. این اتفاق در بالای مقادیر معمول در سطوح شدتی پایین تجربه میشود. بیشتر محیط فعالها در شدتهای نوری متوسط یا پایین شفاف هستند اما هنگامیکه آستانه از حد شکست بر اثر لیزر تجاوز میکند، بسیار جاذب میشوند. فرآیند کلی با جذب مولتی فوتون )که حاملهای آزاد را تولید میکند (آغاز میشود و این در ادامه سبب جذب بسیار قوی خطی تشعشع میشود. از آنجا که حاملهای تولید شده عمر محدودی دارند، انرژی نوری بالای مؤثر باید در زمانی کوتاه تولید شود. اگر حاملهای اولیه با جذب مولتی فوتون در ماده مورد استفاده تولید شوند، فرآیند آسیب درونی مرتبط قطعی خواهد بود: آسیب در بالاتر از یک آستانة مشخص تخریب واقع میشود. در بعضی موارد بیشتر حاملهای اولیه در نقصها و ناخالصیهای پخش شده به شکل تصادفی تولید میشوند. در چنین مواردی تمایل برای تخریب ناشی از چنین اثرهای خارجی بطور بسیار زیادی به نقطه ای که نور بر روی نمونه تابیده میشود بستگی دارد.
این اثر همچنین میتواند به عرض پالس که یک فرآیند فیزیکی درگیر در پدیده آسیب است بستگی داشته باشد.
مکانیزم فیزیکی آسیب لیزری به عرض پالس بستگی دارد. برای مثال، آسیب لیزری کاملاً قطعی را برای پالسهای فمتوثانیه خواهیم داشت که دقیقا در زمانی که به آستانة آسیب میرسد، شروع شود. برای پالسهای نانوثانیه و بزرگتر آسیب‌های غیرقطعی معمولا دیده میشود که احتمال ایجاد آسیب بطور یکنواخت در محدوده آستانه افزایش می یابد. در موارد اخیر حاشیة ایمنی بزرگتری برای اجتناب از آسیب لازم است.
به طور طبیعی، دو برابر کردن مساحت اشعه لیزر باید به شخص اجازه دو برابر کردن توان را تا شروع آسیب بدهد. اما باید توجه کرد که اشعه بزرگتر احتمال برخورد با نقاط نامطلوب بر روی نمونه را افزایش میدهد. بنابراین این روش افزایش توان ممکن است بطور کامل بر روی اجزای نوری عملی نباشد. برای اشعه هایی با لکه بزرگتر، معمولا آسیب را در سطح چگالی یا شدت داده شده مشاهده میکند.
برای یک قطار پالس با نرخ تکرار بالا، اثرات حرارتی نیز ممکن است مانند اشعه های موج پیوسته در ایجاد آسیب نقش ایفا کنند.

  • آسیب سطحی یا حجمی
آسیب نوری میتواند در داخل مواد و یا روی سطح آنها اتفاق بیافتد. از آنجا که سطوح مواد دارای چگالی بالاتری از نقصهای میکروسکوپی نسبت به داخل ماده است، بیشتر دچار آسیبهای مربوط به ناخالصیها و نقصها میشود. آستانة آسیب لیزری برای سطوح بسیار کمتر از حجم ماده است و بیشتر نیز به عملیات سطحی وابسته است. خراشهای ریز یا کمی آلودگی آستانة آسیب را بسیار پایین می آورد. استفاده از محفظه هوابسته یا تکنیکهای تمیزکاری نوری مناسب میتواند سودمند باشد.
پوشش دی الکتریک میتواند باعث کاهش شدید توانایی کنترل توان شود.
معمولا اجزای نوری پوششهای دی الکتریک بر روی سطوحشان دارند. مثلا پوششهای ضد بازتابش. آستانه های آسیب آنها هم به مواد استفاده شده و هم به روشهای ساخت بستگی دارد و ممکن است بسیار پایینتر از ماده بدون پوشش باشد.

  • آسیب شامل آلودگی و قطعات مکانیکی
مخصوصا به دلیل تولید تابش UV، روغنهای ماشین و آلودگیها میتوانند باعث پوششدهی و آسیب بر روی اجزای نوری شوند.
برخی از اجزای نوری در داخل پایه‌ های مکانیکی که حاوی موادی هستند که نباید در معرض لیزر قرار بگیرند، ثابت شده اند. برای مثال، مواد پلاستیکی که براحتی ذوب میشوند و دود تولید میکنند. اگر این مسئله منتهی به ریختن این مواد بر روی سطوح نوری شود براحتی با تابش نور لیزر سبب ایجاد آسیب میشود. مشکلات مشابه زمانی که اثرات روغن ماشین کاری بر روی قطعات باقی بماند رخ میدهد. حتی اگر با اشعه لیزر هم برخورد نکنند ممکن است باعث مشکل شوند و ایجاد دود کنند. مواد گازی ممکن است سپس باعث تغییر شیمیایی هنگام برخورد بیم لیزر شوند و بر روی اجزای نوری رسوب کنند. این باعث سیاه تر شدن اجزای نوری میشود. نتیجه این میشود که تخریب به مرور زمان ایجاد شود و آسیب واقعی با لیزر بوجود آید.
بخاطر چنین مسایلی بهتر است که از قطعات بسیار تمیز استفاده شود و از برخورد پایه‌ های مکانیکی با باریکة لیزر در طول فرآیند هم ترازی جلوگیری شود. چنین مسایلی مخصوصا در لیزرهای فرابنفش بسیار مهم هستند.

  • اثرات تجمعی
ممکن است در ماده ای بر اثر برخورد یک پالس شدید تغییر مشهودی دیده نشود، اما همان ماده نسبت به چندین پالس با همان پارامترها واکنش نشان دهد. این نشان دهندة آن است که پالس اولیه نقصهای کوچک غیر قابل مشاهده کوچکی ایجاد کرده است که تمایل ماده برای آسیب در پالسهای بعدی را افزایش میدهد. در بعضی موارد چنین اثرات تجمعی (که اثرات خستگی نیز نامیده میشود) بعد از تعداد کمی پالس خود را نشان میدهند اما در موارد دیگر تعداد بسیار زیادی پالس نیاز است. آنالیز جزییات مکانیزم فیزیکی منجر به آسیب در این موارد بسیار سخت خواهد بود.
  • آسیب دقیقا چیست؟
آنچه که یک شخص به عنوان آسیب میتواند پیدا کند به آنچه به دنبال آن است وابسته است.
چگونگی تعریف آسیب و اینکه در عمل چگونه رخ میدهد و آیا تحت شرایط معینی آسیب رخ میدهد روشن نیست. در اصل، هرگونه تغییر دائمی در خصوصیات یک نمونه تحت تابش باید به عنوان آسیب در نظر گرفته شود. در بعضی موارد، نمونه بعد از تابش با میکروسکوپ بررسی میشود و هرگونه تغییر قابل مشاهده جستجو میشود. در موارد دیگر افزایش سطوح نور منحرف شده پایش (monitoring) میشود؛ به عنوان مثال پراکندگی مجموع کلی (TIS) بررسی میشود. علاوه بر این، ممکن است بعضی از خصوصیات که برای کارکرد قطعه ضروری است پایش شود؛ مثلا بازتابش یک آینه یا مشخصات اشباع شدن یک SESAM. با توجه به آنکه آسیب چگونه ارزیابی شود، ممکن است مقادیر مختلفی برای آستانة آسیب تعیین کند.