技术干货 | 如何保护您的激光光学系统免受紫外线破坏的危险

光学元件的污染可能发生在紫外激光光与系统中的微粒、水蒸气、有机物和其他污染物相互作用时。这些污染物可以来自环境空气、光学机械设备和系统中的其他材料。尽管使用干燥氮气进行通气等缓解方法有所帮助，但仍可能导致LIC。任何颗粒物的积聚都可能遮挡光学路径，降低元件功能，并潜在降低光学元件的激光损伤阈值。

由于低热导率，光学表面上经常发生凝结。然后，这些凝结的水分子可以与激光和表面材料相互作用，引发LIC。此外，气体的排放和其他空气中的分子污染物通常会导致光学表面上的碳基沉积物。图1中可以观察到LIC的树状生长。

2005年进行的研究详细描述了导致LIC的各种激光相互作用。例如，光诱导预核化涉及由于紫外光直接与玻璃表面相互作用而建立的分子层。经过足够长时间的暴露后，这种积聚的密度被显示为饱和水平。

与周围气体的相互作用也可能导致污染物的沉积。小于400纳米的紫外波长的光子能量开始接近常见分子（如O2、CO2、CO、N2等）的键能量。这使得紫外光能够分解其中一些键，从而创建其他离子和分子，这些分子可以污染光学表面。

除了环境引起的LIC，用于涂层和基底的材料在时间的推移中也容易因光学疲劳过程而退化，即使光源的强度低于激光诱导损伤阈值（LIDT）。

可以将紫外疲劳的概念类比为装订一本书。即使是轻度使用也会导致磨损。由Edmund Optics进行的紫外疲劳实验表明，在某些情况下，如真空，紫外激光照射可能会导致紫外疲劳效应。LIC和紫外疲劳之间的区别特征在于，LIC是一种累积过程，而疲劳是材料的破坏，导致变色或其他本质性变化，甚至可能是材料的去除。

决定这种明显降低光学性能的条件和机制的两种现象在短脉冲激光制度中低于单脉冲损伤阈值。

第一个机制基于折射率的修改，导致透镜效应，可以增加光学元件上的局部光强度。

第二个机制涉及通过形成自陷激子形成光学感应缺陷，从而导致吸收中心的积累和光学功效的丧失。

LIC和光学疲劳都可以发生在可见光和红外波长的激光中，尽管程度较轻。但紫外光子的高能量使这些效应在发射该光谱范围的系统中更为常见。

紫外激光市场近年来增长迅速，根据研究公司MarketWatch3的数据，预计在2022年至2028年之间将具有5.4%的复合年增长率。高功率紫外激光已经成为包括印刷、医学、微加工、半导体加工和增材制造在内的应用中的关键元素。LIC和紫外疲劳导致这些系统的性能随时间降低，需要定期更换其光学元件。这显著增加了维护紫外激光系统的成本，降低了系统效率。系统的LIDT的降低还可能增加由激光诱导损伤引起的系统灾难性故障的风险（图2）。

实验有助于模拟紫外激光系统中光学元件的退化过程，调查潜在的污染源，并探索不同的纠正措施。在一项此类研究中，使用355纳米的10至20纳秒脉冲激光，每脉冲发射约0.6毫焦耳，光束直径为0.6毫米，进行了实验，分析了紫外激光照射引起的LIC和光学疲劳的变化。此测试台的示意图如图3所示。

 burn-box “燃烧室”由几个抗反射窗口组成，模拟了紫外激光系统如何受到影响，比如光束扩展器。燃烧室使得可以在并行中进行隔离的实验环境。半波片和偏振分束立方体允许控制实验中每个光路的平均功率。一对匹配的能量计测量了平均激光功率。这监测了经过测试的光学元件疲劳和/或污染的时间内的传输降低。

图3.开发的用于模拟紫外激光系统中光学元件退化、调查潜在污染源和探索不同纠正措施的紫外照射测试台的示意图。

AR:  防反射窗口; FS: 未涂层熔融二氧化硅窗口; HR: 高反射镜; HWP: 半波片; PBC: 偏振分束器立方体。

实验进行了每日和连续的测量。每日测量涉及打开外壳，在图3中显示的每个测量位置放置一个能量计，包括通常包含光束倾卸器的位置，进行3分钟的测量。连续测量涉及将两个能量计放置在通常包含光束倾卸器的位置之外的测量位置。然后，能量计每30分钟记录一次平均功率，直到下一次的每日测量。一个环境室允许调查各种条件的离散效应，如真空条件或气体的存在。每个实验结束后，一台差分干涉对比显微镜允许研究人员查看窗口表面的污染物。

图4.这里显示的先前透明光学元件上的不透明白色污染是由于暴露于紫外激光后的激光诱导污染（LIC）引起的。图源：Edmund Optics提供

燃烧室允许并行进行隔离研究，并且更实际地模拟了激光光学组件，如光束扩展器。最初的实验表明，螺纹润滑剂、阳极氧化铝和新的维特龙（Viton）O型圈在许多其他类型的光学组件中都是紫外系统中常见的污染源。去掉这些因素可以改善受测试的光学元件的寿命。

Viton O型圈：使用新的未拆封O型圈，燃烧箱窗口的透射率在测试进行四天后开始下降，并在七天后完全不透明。测试后，受污染的光学表面上形成了一层乳白色的雾（图4）。在使用之前将O型圈烘烤可以防止某种程度的气体排放，导致在五周内的传输损失为6%，而不是一周后的完全传输损失。将O型圈放入真空中或者在干净的环境中让它们自由呼吸与烘烤同样有效。

阳极氧化铝：阳极氧化表面含有可捕获污染物的孔隙，可以在使用过程中释放。此外，阳极氧化材料在紫外照射下可能变得活泼。

不锈钢：使用经过清洁的不锈钢而不是阳极氧化铝进行的实验在七周后没有观察到明显的退化。

铟：铟的箔封提供了与O型圈相比更高的抵抗紫外疲劳的性能。

为了测试光学元件的温度如何促进LIC的生长，每日清洁是否能防止污染物的积聚，以及在系统上吹干燥空气是否有任何积极效果，还进行了额外的实验。这些新实验正在超越355纳米紫外线照射，进行266纳米波长的测试。

由于许多激光系统趋向于更短的波长，以利用更高的能量和更高的分辨率，因此理解和减轻紫外疲劳和LIC将变得越来越重要。在355纳米的实验结果表明，如果在系统中使用传统的O型圈和阳极氧化铝，LIC可能会在短短一周内使紫外激光光学元件变得完全不透明。幸运的是，通过用铟密封替换O型圈，用不锈钢替换阳极氧化铝，并使周围环境尽可能干净，这些效应可以得到显著缓解。在开发紫外激光系统时，请与您的光学元件供应商交流，以了解如何使您的系统更能抵抗文中所说的LIC和紫外疲劳。