Les optiques laser UV ont tendance à avoir une durée de vie limitée en raison de deux causes principales : la contamination induite par le laser (LIC) et la fatigue UV. La LIC est causée par le dépôt de matériaux indésirables sur la surface de l'optique, tandis que la fatigue UV est causée par le cumul exposition à la lumière UV qui endommage l’optique. Ces deux processus de dommages dégradent les performances de l'élément optique au fil du temps jusqu'à provoquer des dommages irréversibles.
Des expériences à long terme sur des optiques laser UV 355 nm utilisées dans différents environnements ont révélé des informations clés sur les sources de contamination et de fatigue, ainsi que sur des stratégies d'atténuation et des techniques de nettoyage susceptibles de restaurer les optiques contaminées.
Qu'est-ce que la contamination induite par laser (LIC)
La contamination des éléments optiques peut se produire lorsque la lumière laser UV interagit avec des particules, de la vapeur d'eau, des matières organiques et d'autres contaminants présents dans le système. Ces contaminants peuvent provenir de l’air ambiant, des équipements optomécaniques et d’autres matériaux présents dans le système. Bien que les méthodes d'atténuation telles que l'aération avec de l'azote sec soient utiles, elles peuvent toujours conduire à un LIC. Toute accumulation de particules peut obscurcir le chemin optique, dégrader le fonctionnement des composants et potentiellement abaisser le seuil de dommage laser de l'optique.
La condensation se produit souvent sur les surfaces optiques en raison d'une faible conductivité thermique. Ces molécules d'eau condensées peuvent ensuite interagir avec le laser et les matériaux de surface pour initier le LIC. De plus, les émissions de gaz et autres contaminants moléculaires en suspension dans l'air conduisent souvent à des dépôts de carbone sur les surfaces optiques. La croissance arborescente du LIC peut être observée sur la figure 1.
Des recherches menées en 2005 ont décrit en détail les différentes interactions laser qui conduisent au LIC. Par exemple, la prénucléation induite par la lumière implique une couche moléculaire construite en raison de l’interaction directe de la lumière UV avec la surface du verre. Après une exposition suffisamment longue, la densité de cette accumulation s'est avérée être à des niveaux saturés.
L'interaction avec les gaz environnants peut également entraîner le dépôt de contaminants. Les énergies des photons aux longueurs d'onde UV inférieures à 400 nanomètres commencent à se rapprocher des énergies de liaison des molécules courantes (par exemple, O2, CO2, CO, N2, etc.). Cela permet à la lumière UV de briser certaines de ces liaisons, créant ainsi d’autres ions et molécules susceptibles de contaminer les surfaces optiques.
Qu’est-ce que la fatigue UV ?
En plus du LIC induit par l'environnement, les matériaux utilisés pour les revêtements et les substrats sont susceptibles de se dégrader au fil du temps en raison du processus de fatigue optique, même si l'intensité de la source lumineuse est inférieure au seuil de dommages induits par le laser (LIDT).
Le concept de fatigue UV peut être comparé à la reliure d’un livre. Même une utilisation légère peut entraîner une usure. Les expériences de fatigue UV menées par Edmund Optics ont montré que dans certaines conditions, telles que le vide, l'irradiation laser UV peut entraîner des effets de fatigue UV. La caractéristique distinctive entre la fatigue LIC et la fatigue UV est que la LIC est un processus cumulatif, alors que la fatigue est la destruction de le matériau, entraînant une décoloration ou d'autres changements intrinsèques, et éventuellement même l'enlèvement du matériau.
Deux phénomènes qui déterminent les conditions et les mécanismes de cette réduction apparente des performances optiques sont inférieurs au seuil de dommage à impulsion unique dans le régime laser à impulsion courte.
Le premier mécanisme repose sur la modification de l’indice de réfraction, conduisant à un effet de lentille pouvant augmenter l’intensité lumineuse localisée sur l’élément optique.
Le deuxième mécanisme implique la formation de défauts induits optiquement par la formation d’excitons auto-piégés, ce qui conduit à l’accumulation de centres d’absorption et à une perte d’efficacité optique.
La LIC et la fatigue optique peuvent survenir dans les lasers aux longueurs d'onde visibles et infrarouges, bien que dans une moindre mesure. Cependant, la haute énergie des photons UV rend ces effets plus fréquents dans les systèmes émettant dans cette gamme spectrale.
Le marché du laser UV a connu une croissance rapide ces dernières années et devrait avoir un TCAC de 5,4 % entre 2022 et 2028, selon le cabinet d'études MarketWatch3. Les lasers UV haute puissance sont devenus un élément clé dans des applications telles que l'impression, la médecine, la microfabrication, le traitement des semi-conducteurs et la fabrication additive. La fatigue LIC et UV entraîne une dégradation des performances de ces systèmes au fil du temps, nécessitant le remplacement périodique de leurs composants optiques. Cela augmente considérablement le coût de maintenance d'un système laser UV et réduit l'efficacité du système. Une réduction du LIDT du système peut également augmenter le risque de défaillance catastrophique du système causée par des dommages induits par le laser (Figure 2).
Analyser la fatigue LIC et UV
Les expériences permettent de simuler le processus de dégradation des composants optiques dans les systèmes laser UV, d'étudier les sources potentielles de contamination et d'explorer différentes mesures correctives. Dans l'une de ces études, des expériences ont été menées pour analyser les changements de LIC et la fatigue optique induits par l'irradiation laser UV à l'aide d'un laser pulsé de {{0}}nm, 10- à 20-nanosecondes émettant environ 0,6 millijoules par impulsion, avec un diamètre de faisceau de 0,6 mm. Le diagramme schématique de ce banc d'essai est présenté sur la figure 3.
La « chambre de combustion » du foyer de combustion se compose de plusieurs fenêtres antireflet qui simulent la manière dont un système laser UV est affecté, tel qu'un expanseur de faisceau. La burn-box permet de réaliser en parallèle des environnements expérimentaux isolés. Une feuille demi-onde et un cube séparateur de faisceau de polarisation ont permis de contrôler la puissance moyenne de chaque chemin optique dans l'expérience. Une paire de compteurs d'énergie appariés mesurait la puissance moyenne du laser. Cela a permis de surveiller la dégradation de la transmission au fil du temps de fatigue et/ou de contamination des optiques testées.
Fig. 3. Schéma du banc d'essai d'exposition aux UV développé pour simuler la dégradation des éléments optiques dans les systèmes laser UV, pour étudier les sources potentielles de contamination et pour explorer différentes mesures correctives. ar : fenêtre antireflet ; fs : fenêtre en silice fondue non enrobée ; hr : miroir hautement réfléchissant ; hwp : lame demi-onde ; pbc : cube séparateur de faisceau de polarisation.
Les expériences ont été réalisées avec des mesures quotidiennes et continues. Les mesures quotidiennes impliquaient l'ouverture du boîtier et le placement d'un compteur d'énergie à chacune des positions de mesure illustrées sur la figure 3, y compris la position qui contient généralement la bascule de faisceau, pour une mesure de 3-minutes. Les mesures continues impliquaient de placer deux compteurs d'énergie à des positions de mesure autres que la position qui contient normalement la bascule de faisceau. Les compteurs d'énergie enregistraient ensuite la puissance moyenne toutes les 30 minutes jusqu'à la prochaine mesure quotidienne. Une chambre environnementale a permis d'étudier les effets discrets de diverses conditions, telles que les conditions de vide ou la présence de gaz. À la fin de chaque expérience, un microscope à contraste interférentiel différentiel a permis aux chercheurs de visualiser les contaminants sur la surface de la fenêtre.
Figure 4. La contamination blanche opaque sur les optiques auparavant transparentes illustrée ici est due à une contamination induite par le laser (LIC) après exposition à un laser UV. Crédit image : Avec l’aimable autorisation d’Edmund Optics
Résultats expérimentaux généraux
La chambre de combustion a permis des études d'isolation parallèles et une simulation plus réaliste des composants optiques laser tels que l'expanseur de faisceau. Les premières expériences ont montré que les lubrifiants pour filetage, l'aluminium anodisé et les nouveaux joints toriques Viton sont des sources courantes de contamination dans les systèmes UV de nombreux autres types d'assemblages optiques. La suppression de ces facteurs peut améliorer la durée de vie des optiques testées.
Joints toriques Viton : Avec des joints toriques neufs et non ouverts, la transmission de la fenêtre de la chambre de combustion a commencé à diminuer quatre jours après le début du test et est devenue complètement opaque après sept jours. Un brouillard blanc laiteux s'est formé sur les surfaces optiques contaminées après le test (Figure 4). La cuisson des joints toriques avant utilisation a empêché un certain degré de dégazage, ce qui a entraîné une perte de transmission de 6 % au bout de cinq semaines plutôt qu'une perte totale de transmission après une semaine. Placer les joints toriques sous vide ou les laisser respirer librement dans un environnement propre est tout aussi efficace que de les cuire.
Aluminium anodisé : les surfaces anodisées contiennent des pores qui retiennent les contaminants pouvant être libérés lors de l'utilisation. De plus, les matériaux anodisés peuvent devenir réactifs sous exposition aux UV.
Acier inoxydable : Les expériences utilisant de l'acier inoxydable nettoyé plutôt que de l'aluminium anodisé n'ont pas observé de dégradation significative après sept semaines.
Indium : les joints en feuille d'indium offrent une plus grande résistance à la fatigue UV que les joints toriques.
Des expériences supplémentaires ont été menées pour tester comment la température des optiques favorise la croissance du LIC, si le nettoyage quotidien empêche l'accumulation de contaminants et si le soufflage d'air sec sur le système a un effet positif. Ces nouvelles expériences vont au-delà de l’exposition aux UV de 355 nm pour passer à des tests de longueur d’onde de 266 nm.
Résumer
Comprendre et atténuer la fatigue UV et le LIC deviendra de plus en plus important à mesure que de nombreux systèmes laser ont tendance à passer à des longueurs d'onde plus courtes pour utiliser une énergie et une résolution plus élevées. Les résultats expérimentaux à 355 nm ont montré que le LIC peut rendre l'optique laser UV complètement opaque en à peine une semaine si des joints toriques conventionnels et de l'aluminium anodisé sont utilisés dans le système. Heureusement, ces effets peuvent être considérablement atténués en remplaçant les joints toriques par des joints en indium, en remplaçant l'aluminium anodisé par de l'acier inoxydable et en rendant l'environnement aussi propre que possible. Lors du développement d'un système laser UV, parlez à votre fournisseur d'optique pour savoir comment rendre votre système plus résistant à la fatigue LIC et UV, comme décrit dans l'article.
