Optik laser UV cenderung memiliki masa pakai yang terbatas karena dua penyebab utama: kontaminasi akibat laser (LIC) dan kelelahan UV. LIC disebabkan oleh pengendapan bahan yang tidak diinginkan pada permukaan optik, sedangkan kelelahan UV disebabkan oleh akumulasi bahan-bahan yang tidak diinginkan pada permukaan optik. paparan sinar UV yang mengakibatkan kerusakan pada optik. Kedua proses kerusakan ini menurunkan kinerja elemen optik seiring waktu hingga terjadi kerusakan permanen.
Eksperimen jangka panjang pada optik laser UV 355 nm yang digunakan di lingkungan berbeda telah mengungkapkan wawasan penting mengenai sumber kontaminasi dan kelelahan, serta strategi mitigasi dan teknik pembersihan yang dapat memulihkan optik yang terkontaminasi.
Apa itu kontaminasi akibat laser (LIC)
Kontaminasi elemen optik dapat terjadi ketika sinar laser UV berinteraksi dengan partikel, uap air, bahan organik, dan kontaminan lain dalam sistem. Kontaminan ini dapat berasal dari udara sekitar, peralatan optomekanis, dan material lain dalam sistem. Meskipun metode mitigasi seperti aerasi dengan nitrogen kering dapat membantu, metode tersebut masih dapat menyebabkan LIC. Penumpukan partikel apa pun dapat mengaburkan jalur optik, menurunkan fungsi komponen, dan berpotensi menurunkan ambang batas kerusakan laser pada optik.
Kondensasi sering terjadi pada permukaan optik karena konduktivitas termal yang rendah. Molekul air yang terkondensasi ini kemudian dapat berinteraksi dengan laser dan material permukaan untuk memulai LIC. Selain itu, emisi gas dan kontaminan molekuler lainnya di udara sering kali menyebabkan endapan berbasis karbon pada permukaan optik. Pertumbuhan LIC yang menyerupai pohon dapat diamati pada Gambar 1.
Penelitian yang dilakukan pada tahun 2005 menjelaskan secara rinci berbagai interaksi laser yang menyebabkan LIC. Misalnya, pra-nukleasi yang diinduksi cahaya melibatkan lapisan molekul yang terbentuk karena interaksi langsung sinar UV dengan permukaan kaca. Setelah pemaparan yang cukup lama, kepadatan penumpukan ini terbukti berada pada tingkat jenuh.
Interaksi dengan gas di sekitarnya juga dapat menyebabkan pengendapan kontaminan. Energi foton pada panjang gelombang UV yang lebih kecil dari 400 nanometer mulai mendekati energi ikatan molekul umum (misalnya O2, CO2, CO, N2, dll.). Hal ini memungkinkan sinar UV memecah beberapa ikatan ini, menciptakan ion dan molekul lain yang dapat mencemari permukaan optik.
Apa itu kelelahan akibat sinar UV?
Selain LIC yang disebabkan oleh lingkungan, bahan yang digunakan untuk pelapis dan substrat rentan terhadap degradasi seiring waktu karena proses kelelahan optik, bahkan jika intensitas sumber cahaya berada di bawah Ambang Batas Kerusakan yang Diinduksi Laser (LIDT).
Konsep kelelahan akibat sinar UV dapat diibaratkan seperti menjilid buku. Bahkan penggunaan ringan pun dapat menyebabkan keausan. Eksperimen kelelahan UV yang dilakukan oleh Edmund Optics menunjukkan bahwa dalam kondisi tertentu, seperti vakum, penyinaran laser UV dapat menyebabkan efek kelelahan UV. Ciri yang membedakan antara LIC dan kelelahan UV adalah bahwa LIC merupakan proses kumulatif, sedangkan kelelahan adalah penghancuran bahan, yang mengakibatkan perubahan warna atau perubahan intrinsik lainnya, dan bahkan mungkin hilangnya bahan tersebut.
Dua fenomena yang menentukan kondisi dan mekanisme penurunan kinerja optik ini berada di bawah ambang batas kerusakan pulsa tunggal dalam rezim laser pulsa pendek.
Mekanisme pertama didasarkan pada modifikasi indeks bias, yang mengarah pada efek pelensaan yang dapat meningkatkan intensitas cahaya lokal pada elemen optik.
Mekanisme kedua melibatkan pembentukan cacat yang diinduksi secara optik melalui pembentukan rangsangan yang terperangkap sendiri, yang menyebabkan akumulasi pusat penyerapan dan hilangnya kemanjuran optik.
Baik LIC maupun kelelahan optik dapat terjadi pada laser pada panjang gelombang tampak dan inframerah, meskipun pada tingkat yang lebih rendah. Namun, energi foton UV yang tinggi membuat efek ini lebih umum terjadi pada sistem yang memancarkan rentang spektral ini.
Pasar laser UV telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir dan diperkirakan memiliki CAGR sebesar 5,4% antara tahun 2022 dan 2028, menurut firma riset MarketWatch3. Laser UV berdaya tinggi telah menjadi elemen kunci dalam berbagai aplikasi termasuk pencetakan, kedokteran, fabrikasi mikro, pemrosesan semikonduktor, dan manufaktur aditif. Kelelahan LIC dan UV menyebabkan kinerja sistem ini menurun seiring waktu, sehingga memerlukan penggantian komponen optik secara berkala. Hal ini secara signifikan meningkatkan biaya pemeliharaan sistem laser UV dan mengurangi efisiensi sistem. Penurunan LIDT sistem juga dapat meningkatkan risiko kegagalan sistem yang disebabkan oleh kerusakan akibat laser (Gambar 2).
Menganalisis kelelahan LIC dan UV
Eksperimen membantu mensimulasikan proses degradasi komponen optik dalam sistem laser UV, menyelidiki potensi sumber kontaminasi, dan mengeksplorasi berbagai tindakan perbaikan. Dalam salah satu penelitian tersebut, percobaan dilakukan untuk menganalisis perubahan LIC dan kelelahan optik yang disebabkan oleh iradiasi laser UV menggunakan laser berdenyut {{0}}nm, 10- hingga 20-nanodetik yang memancarkan sekitar 0,6 milijoule per pulsa, dengan diameter berkas 0,6 mm. Diagram skema bangku tes ini ditunjukkan pada Gambar 3.
"Ruang pembakaran" kotak bakar terdiri dari beberapa jendela anti-reflektif yang menyimulasikan pengaruh sistem laser UV, seperti beam expander. Burn-box memungkinkan dilakukannya lingkungan eksperimen terisolasi secara paralel. Lembaran setengah gelombang dan kubus pemisah berkas polarisasi memungkinkan kontrol daya rata-rata setiap jalur optik dalam percobaan. Sepasang pengukur energi yang cocok mengukur kekuatan laser rata-rata. Hal ini memantau degradasi transmisi seiring dengan kelelahan dan/atau kontaminasi optik yang diuji.
Gambar 3. Skema uji paparan UV yang dikembangkan untuk mensimulasikan degradasi elemen optik dalam sistem laser UV, untuk menyelidiki sumber kontaminasi potensial dan untuk mengeksplorasi berbagai tindakan perbaikan. ar: jendela anti-reflektif; fs: jendela silika leburan yang tidak dilapisi; jam: cermin yang sangat reflektif; hwp: pelat setengah gelombang; pbc: kubus pemisah berkas polarisasi.
Eksperimen dilakukan dengan pengukuran harian dan terus menerus. Pengukuran harian melibatkan pembukaan wadah dan penempatan pengukur energi di setiap posisi pengukuran yang ditunjukkan pada Gambar 3, termasuk posisi yang biasanya berisi beam tipper, selama pengukuran 3-menit. Pengukuran kontinyu melibatkan penempatan dua meter energi pada posisi pengukuran selain posisi yang biasanya berisi beam tipper. Pengukur energi kemudian mencatat daya rata-rata setiap 30 menit hingga pengukuran harian berikutnya. Ruang lingkungan memungkinkan penyelidikan efek diskrit dari berbagai kondisi, seperti kondisi vakum atau keberadaan gas. Pada akhir setiap percobaan, mikroskop kontras interferensi diferensial memungkinkan peneliti untuk melihat kontaminan pada permukaan jendela.
Gambar 4.Kontaminasi putih buram pada optik yang sebelumnya transparan yang ditunjukkan di sini disebabkan oleh kontaminasi yang diinduksi laser (LIC) setelah terpapar laser UV. Kredit gambar: Atas perkenan Edmund Optics
Hasil Eksperimen Umum
Ruang pembakaran memungkinkan studi isolasi paralel dan simulasi komponen optik laser yang lebih realistis seperti beam expander. Eksperimen awal menunjukkan bahwa pelumas benang, aluminium anodisasi, dan cincin-O Viton baru merupakan sumber kontaminasi umum dalam sistem UV di banyak jenis rakitan optik lainnya. Menghilangkan faktor-faktor ini dapat meningkatkan umur optik yang diuji.
Cincin-O Viton: Dengan cincin-O baru yang belum dibuka, transmisi jendela ruang bakar mulai berkurang empat hari setelah pengujian dan menjadi buram sepenuhnya setelah tujuh hari. Kabut putih susu terbentuk pada permukaan optik yang terkontaminasi setelah pengujian (Gambar 4). Memanggang cincin-O sebelum digunakan dapat mencegah keluarnya gas pada tingkat tertentu, yang mengakibatkan hilangnya transmisi sebesar 6% dalam lima minggu dibandingkan hilangnya transmisi sepenuhnya setelah satu minggu. Menempatkan cincin-O di ruang hampa atau membiarkannya bernapas lega di lingkungan yang bersih sama efektifnya dengan memanggangnya.
Aluminium Anodized: Permukaan anodized mengandung pori-pori yang memerangkap kontaminan yang dapat dilepaskan saat digunakan. Selain itu, bahan anodisasi dapat menjadi reaktif di bawah paparan sinar UV.
Baja Tahan Karat: Percobaan menggunakan baja tahan karat yang telah dibersihkan dan bukan aluminium yang dianodisasi, tidak menunjukkan adanya degradasi yang signifikan setelah tujuh minggu.
Indium: Segel foil indium memberikan ketahanan yang lebih tinggi terhadap kelelahan UV dibandingkan dengan cincin-O.
Eksperimen tambahan dilakukan untuk menguji bagaimana suhu optik mendorong pertumbuhan LIC, apakah pembersihan harian mencegah penumpukan kontaminan, dan apakah meniupkan udara kering ke sistem mempunyai efek positif. Eksperimen baru ini melampaui paparan UV 355 nm ke pengujian panjang gelombang 266 nm.
Meringkas
Memahami dan mengurangi kelelahan akibat sinar UV dan LIC akan menjadi semakin penting karena banyak sistem laser cenderung beralih ke panjang gelombang yang lebih pendek untuk memanfaatkan energi yang lebih tinggi dan resolusi yang lebih tinggi. Hasil percobaan pada 355 nm telah menunjukkan bahwa LIC dapat membuat optik laser UV benar-benar buram hanya dalam waktu seminggu jika cincin-O konvensional dan aluminium anodisasi digunakan dalam sistem. Untungnya, dampak ini dapat dikurangi secara signifikan dengan mengganti cincin-O dengan segel indium, mengganti aluminium anodisasi dengan baja tahan karat, dan membuat lingkungan sekitar sebersih mungkin. Saat mengembangkan sistem laser UV, bicarakan dengan pemasok optik Anda untuk mengetahui cara membuat sistem Anda lebih tahan terhadap LIC dan kelelahan UV seperti yang dijelaskan dalam artikel.
