Gambar 1: Mekanisme kerusakan akibat laser yang berbeda secara signifikan pada skala durasi pulsa. Pulsa yang lebih panjang, termasuk yang berdurasi nanodetik, menyebabkan kerusakan terutama melalui efek termal. Ketika durasi pulsa memendek ke skala waktu femtosecond, penyerapan pembawa dan efek nonlinier menjadi mekanisme kerusakan utama.
Seiring dengan berkembangnya teknologi laser, optik juga harus memenuhi spesifikasi yang diperlukan untuk aplikasi presisi tinggi. Kekuatan laser ultracepat telah merevolusi prosedur medis, permesinan mikro, penelitian sains dasar, dan banyak bidang lainnya. Untuk industri dan aplikasi yang sebelumnya didominasi oleh laser nanodetik, penerapan laser ultracepat menghadirkan sejumlah tantangan, termasuk ambang batas kerusakan laser yang berbeda secara signifikan untuk komponen optik. Untuk memastikan efisiensi dan umur panjang sistem laser, penting untuk memahami perbedaan ambang batas kerusakan laser pada durasi pulsa nanodetik dan femtodetik serta alasannya.
Ambang batas kerusakan laser (LDT), terkadang disebut sebagai ambang kerusakan akibat laser (LIDT), adalah parameter utama yang harus dievaluasi ketika memilih optik untuk sistem laser apa pun. ISO 21254 mendefinisikan LDT sebagai "jumlah maksimum radiasi laser kejadian pada elemen optik yang dianggap mempunyai peluang merusak elemen nol...". Definisi ini nampaknya cukup sederhana, namun nilai LDT sebenarnya bergantung pada berbagai faktor selain sifat elemen optik itu sendiri. Secara khusus, LDT elemen optik dapat bervariasi beberapa kali lipat ketika dievaluasi pada durasi pulsa nanodetik (10-9s) versus femtodetik (10-15s). Perbedaan besar ini berasal dari mekanisme kerusakan laser yang sangat berbeda yang terjadi pada skala waktu yang berbeda (lihat Gambar 1).
Mekanisme kerusakan laser nanodetik
Berbeda dengan pulsa femtodetik, pulsa panjang laser nanodetik menyebabkan kerusakan pada komponen optik terutama melalui mekanisme termal. Laser menyimpan sejumlah besar energi ke dalam material elemen optik, yang memicu pemanasan lokal di lokasi kejadian laser. Pemanasan ini dapat menyebabkan pencairan secara langsung, atau dapat menyebabkan beberapa perubahan struktural melalui ekspansi termal dan mengakibatkan tekanan mekanis. Tekanan ini dapat menyebabkan keretakan atau bahkan menyebabkan pemisahan lapisan dari substrat.
Selain pemanasan langsung pada bahan pelapis, optik di bawah iradiasi laser nanodetik sangat sensitif terhadap cacat pada lapisan. Cacat ini bertindak seperti penangkal petir kecil di dalam lapisan optik, karena memiliki tingkat penyerapan yang jauh lebih tinggi dibandingkan lingkungannya. Akibatnya, bagian yang rusak ini menjadi lebih cepat panas, dan jika terjadi kerusakan akibat laser yang parah, cacat ini dapat meledak hingga keluar dari lapisan. Mekanisme kerusakan drastis ini biasanya meninggalkan lubang pada permukaan optik, serta beberapa materi partikulat yang mengendap kembali di permukaan segera setelah kejadian kerusakan (lihat Gambar 2).
Gambar 2: Kerusakan laser yang dihasilkan oleh laser berdenyut nanodetik 532nm. Kerusakan ini disebabkan oleh cacat pada lapisan elemen optik, yang mengakibatkan kawah dan pengendapan kembali partikel pada permukaan elemen.
Karena lokasi cacat ini mengawali kerusakan laser, semakin tinggi keberadaan cacat, semakin rendah LDT biasanya untuk elemen optik tertentu. Oleh karena itu, untuk optik yang digunakan dengan laser nanodetik, fokusnya adalah pada kualitas permukaan optik. Selain itu, pengujian LDT pada skala waktu nanodetik adalah proses yang sangat statistik. Kemungkinan kerusakan pada lokasi tertentu pada permukaan optik disebabkan oleh banyak faktor yang terkait, termasuk ukuran sinar datang, distribusi dan kepadatan lokasi cacat, dan sifat material yang melekat. Berbagai pengaruh ini juga menjelaskan mengapa nilai LDT nanodetik dapat bervariasi secara signifikan antar batch lapisan yang sama. LDT dapat dipengaruhi oleh ketidakkonsistenan dalam pemolesan dan persiapan substrat, fluktuasi dalam proses pengendapan lapisan sebenarnya, dan bahkan perubahan dalam kondisi penyimpanan pasca-pelapisan.
Berbagai pengaruh pada LDT nanodetik berbeda dengan mekanisme utama yang bertanggung jawab atas kerusakan laser femtosecond, yang terutama terkait dengan bahan pelapis yang diterapkan.
Mekanisme Kerusakan Laser Femtosecond
Denyut ultracepat laser femtosecond menyebabkan kerusakan melalui mekanisme yang berbeda-beda, sebagian karena daya puncak yang dihasilkannya sangat tinggi. Meskipun laser nanodetik dan femtodetik memiliki energi pulsa yang sama, daya puncak pulsa laser femtodetik bisa sekitar satu juta kali lebih tinggi dibandingkan laser nanodetik karena durasi pulsa yang lebih pendek dari laser femtodetik. Pulsa laser intensitas tinggi ini mampu menarik elektron secara langsung dari pita valensi ke pita konduksi. Sekalipun energi foton dari pulsa laser yang datang lebih rendah dari lompatan ini (dikenal sebagai celah pita material), fluensi puncak dari pulsa laser ultracepat sangat tinggi sehingga elektron dapat menyerap lebih dari satu foton dalam satu waktu. Mekanisme nonlinier ini dikenal sebagai ionisasi multifoton dan merupakan jalur kerusakan umum pada optik laser ultracepat.
Ionisasi terowongan juga dapat menjadi jalur kerusakan pada iradiasi laser femtosecond. Fenomena ini terjadi ketika pulsa laser ultracepat menghasilkan medan listrik yang sangat kuat sehingga medan listrik yang datang justru mendistorsi energi pada pita konduksi, sehingga memungkinkan elektron untuk menembus pita valensi. Setelah elektron yang cukup tereksitasi ke dalam pita konduksi, radiasi yang datang mulai memasangkan energi langsung ke elektron bebas, sehingga mengakibatkan kerusakan pada bahan pelapis.
Karena jalur kerusakan ini, LDT femtodetik lebih deterministik dibandingkan LDT nanodetik. Kerusakan laser pada dasarnya "dinyalakan" pada fluensi masukan tertentu dari laser femtodetik, yang sebanding dengan celah pita bahan pelapis dielektrik yang dilapisi. Hal ini kontras dengan sifat probabilistik kerusakan laser nanodetik (lihat Gambar 3).
Gambar Gambar 3. Hasil tes LDT diperoleh pada kondisi pulsa 4ns (kiri) dan 48fs (kanan). Kemiringan datar pada kurva kerusakan nanodetik mencerminkan sifat pengukuran yang bersifat probabilistik, sedangkan pergeseran tajam menuju probabilitas kerusakan 100% mencerminkan mekanisme deterministik kerusakan laser femtodetik.
Berbeda dengan jalur kerusakan laser nanodetik, penting untuk dicatat bahwa efek termal tidak mempengaruhi LDT elemen optik pada skala waktu femtodetik. Hal ini karena durasi pulsa laser ultracepat sebenarnya lebih cepat daripada durasi pulsa laser ultracepat. skala waktu difusi termal dalam struktur material. Akibatnya, pulsa femtodetik tidak menyimpan energi sebagai panas ke dalam bahan pelapis, dan oleh karena itu tidak menghasilkan ekspansi termal dan tekanan mekanis seperti yang dilakukan pulsa laser nanodetik. Karena alasan ini, laser ultracepat sangat bermanfaat dalam banyak aplikasi yang memerlukan pemotongan dan penandaan dengan presisi tinggi, seperti dalam pembuatan stent kardiovaskular.
Memilih optik yang tepat
Seperti durasi pulsanya, nilai LDT tipikal untuk pulsa nanodetik dan femtodetik dapat berbeda beberapa kali lipat. Jika diukur dengan pulsa 100 fs, nilai LDT cermin laser biasa mungkin sekitar 0,2 J/cm2; namun, ketika diukur dengan pulsa 5 ns, LDT optik mungkin mendekati 10 J/cm2 Nilai-nilai yang berbeda ini mungkin mengkhawatirkan pada awalnya, tetapi nilai-nilai tersebut hanyalah indikasi dari mekanisme kerusakan yang sangat berbeda pada skala waktu ini.
Untuk alasan yang sama, kehati-hatian ekstra harus diberikan saat menggunakan kalkulator LDT dalam skala waktu yang besar. Secara umum, LDT semakin besar seiring bertambahnya durasi pulsa. Namun penyesuaian nilai LDT dari pulsa femtodetik yang disesuaikan ke pulsa nanodetik yang disesuaikan, atau dari pulsa nanodetik yang disesuaikan ke pulsa femtodetik yang disesuaikan, kemungkinan besar akan mengakibatkan kerusakan pada optik. Praktik terbaiknya adalah memilih optik dengan peringkat LDT yang sesuai dan diperoleh sedekat mungkin dengan kondisi aplikasi aktual Anda (termasuk panjang gelombang, frekuensi pengulangan, dan durasi pulsa).
Ringkasan
Teknologi laser akan terus berkembang untuk memenuhi kebutuhan akan presisi yang lebih tinggi. Seiring dengan terbentuknya teknologi baru ini, memahami perbedaan mekanisme kerusakan laser (dan kerusakan mana yang mendominasi dalam skala waktu tertentu) akan menjadi semakin penting dalam memilih optik yang tepat untuk aplikasi di dunia nyata. Memahami perbedaan-perbedaan ini tidak hanya akan meningkatkan efisiensi dan masa pakai sistem laser yang digunakan, namun juga memungkinkan adaptasi yang lancar terhadap sistem laser yang lebih canggih di masa depan.
