نکاتی جهت تعیین و استفاده از قطعات اپتیک لیزری تخت 

الزامات بسیاری در طراحی، ساخت و استفاده از قطعات اپتیکی تخت برای کاربردهای لیزری وجود دارد. قطعات اپتیکی تخت، بخشی حیاتی در اکثر سیستمهای لیزری و ابزارهایی هستند که بر اساس لیزر کار میکنند (شکل ۱). قطعات اپتیکی تخت علاوه بر تصحیح هندسه باریکه لیزر، میتوانند ویژگیهای دیگری مانند جهت یا بازه طیفی را تغییر دهند و یا میتوانند تنها یک مانع فیزیکی برای آلاینده ها ایجاد کنند. برخی از معمول ترین طول موج ها برای قطعات اپتیکی تخت لیزر از ناحیه طیفی ماورای بنفش تا مادون قرمز نزدیک، عبارتند از طول موج های ۲۶۶، ۳۵۵، ۴۰۵، ۴۶۱، ۴۸۸، ۵۳۲، ۶۳۳، ۷۸۵، ۹۸۰، ۱۰۶۴ و ۱۵۵۰ نانومتر.

 

قطعات اپتیکی لیزر از مواد مختلفی ساخته میشوند؛ این مواد با توجه به طول موج لیزر مورد استفاده تعیین میشوند. در محدوده طول موجی ماورای بنفش-عمیق (DUV)، مواد مورد استفاده در قطعات اپتیکی لیزر از جنس فلوراید کلسیم (CaF₂) است، در حالیکه به ازای طول موج های بزرگتر در محدوده طول موجی UV، سیلیس ذوب شده مورد استفاده قرار میگیرد. در طول موج مرئی، سیلیس ذوب شده و BK7 گزینه های اولیه برای انتخاب ماده هستند. در حال حاضر در کاربردهایی با شار کم به دلیل مقرون به صرفه بودن شات بروفلوت کاربرد گسترده ‌ای پیدا کرده است. سیلیس ذوب شده انتخابی ایده ال برای قطعات اپتیکی لیزر است زیرا دارای درجه همگنی بالا، ادخال و حبابهای اندک و ویژگیهای طیفی خوبی است.
بر اساس کاربری محصول اپتیکی مورد نظر جبهه موج عبوری یا انعکاسی اهمیت می‌یابد. جبهه موج عبوری مشخصه ‌ای حساس برای پنجره ‌ها و فیلترها است در این حالت‌ها کمینه کردن خطای جبهه موج بازتابیده کمکی به عملکرد نمی‌کند و بی دلیل قیمت قطعه اپتیکی را افزایش می‌دهد.
از سویی دیگر جبهه موج بازتابیده در عملکرد قطعات اپتیکی از قبیل باریکه شکاف و آینه‌ها ویژگی ای بسیار حساس است.  تنش ایجاد شده در اثر لایه نشانی یک پوشش، میتواند موجب تغییر شکل قطعه اپتیکی شود، که بر خطای جبهه موج بازتابی اثر خواهد گذاشت. نسبت ابعاد (نسبت قطر به ضخامت) به اندازه کافی پایین قطعه اپتیکی، برای دستیابی به جبهه موج بازتابی بهینه، ضروری است.
اغلب برای دستیابی به تفکیک پذیری بالا، جابه جایی پیکسل کم و تنظیم خوب شکافنده باریکه، فیلترها و پنجره ها توازی بسیار حائز اهمیت است. اکثراً در صورتی که جبهه موج عبوری استثنائی به دست آمده باشد، توازی عالی نیز به دست آمده است. پردازش قطعات اپتیکی به صورت سایش دوطرفه قطعه اپتیکی، میتواند موجب توازی فوق العاده سطوح تا مقادیر کمتر از آرک ثانیه شود. باید در نظر داشت که در برخی کاربردهای پنجره‌ ای، یک بخش گوه ای شکل در ساختار اپتیکی برای جلوگیری از انحراف بازتابهای بازگشتی به کار گرفته میشود.

ناهمواری سطح
هیچ قطعه اپتیکی ایده آل نیست؛ حتی قطعات اپتیکی با پولیش بالا که ناهمواری سطح بسیار کمی دارند، دارای عیبهای زیادی هستند. معیوب بودن سطح قطعه اپتیکی، دلیل اصلی نقص در قطعات اپتیکی لیزر، بخصوص در طول موج های کوتاه تر و پهنای پالس نانوثانیه است. این عیوب میتوانند باعث پراکندگی و کاهش کیفیت باریکه شوند، که به نوبه خود موجب آسیب رساندن لیزر بر سطح قطعه اپتیکی میشود.
از طرف دیگر، کاهش زبری سطح قطعه اپتیکی، نقشی اساسی در کاهش پراکندگی و افزایش عملکرد سیستم دارد. معمولاً قطعات اپتیکی لیزر زبری سطحی در حدود ۳ تا ۵ آنگستروم دارند؛ در مورد قطعات اپتیکی با پولیش بالا، زبری سطح به کمتر از ۱ آنگستروم میرسد.
فرآیندهای سایش و پولیش سطح قطعه اپتیکی، دلیل اولیه ایجاد خراش-حفره[۱] در سطح هستند. این فرآیندها را میتوان بهینه کرد تا قطعه اپتیکی بهترین عملکرد را داشته باشد. در هر مرحله از پردازش سطح قطعه اپتیکی، از بین بردن عیبهای ایجاد شده به منظور جلوگیری از تشدید عیب در مراحل بعد و در نهایت جلوگیری از آسیب لیزری حائز اهمیت است (شکل ۲). این آسیب در مرحله سایش آغاز میشود و تا مرحله نهایی ریز سایش پیش میرود و سپس تا مرحله پولیش و حتی مراحل پس از آن ادامه مییابد.

 

شکل ۲-  نمایشی از سطح مقطع یک قطعه اپتیکی با چندین نوع عیب. این عیوب میتوانند دلیل اصلی آسیب لیزری باشند.

یک عامل اصلی در تعیین طول عمر و عملکرد قطعات اپتیکی لیزر، آستانه آسیب در اثر لیزر[۲] است. آستانه آسیب در اثر لیزر به صورت حداقل شار (ژول بر سانتی متر مربع) یا درخشندگی (وات بر سانتی متر مربع) که باعث تغییرات برگشت ناپذیر در زیرلایه یا پوشش اپتیکی میشود، تعریف میشود. هرچه مقدار LIDT بزرگتر باشد، انرژی یا توان باریکه ای که میتواند از طریق سیستم اپتیکی انتشار یابد، بیشتر میشود.
معمولاً تعیین مقدار  LIDTاز طریق اندازه گیری انجام میشود و مستلزم دانستن پارامترهای خاصی از قبیل طول موج لیزر، اندازه باریکه، پهنای پالس، نرخ تکرار و شکل پالس است. به طور کلی، قطعات اپتیکی بدون پوشش نسبت به همان قطعات پس از پوشش دهی، میتوانند شار یا تابش لیزری بیشتری را تحمل کنند. آسیب وارد شده در اثر لیزر ممکن است روی سطح قطعه اپتیکی، داخل ماده و یا درون پوشش اپتیکی رخ دهد. مقدارLIDT  از یک تا صدها ژول بر سانتی متر مربع است؛ در بیشتر کاربردها این مقدار کمتر از  ۱۰ ژول بر سانتی مترمربع است.
به طور کلی، هرچه شار لیزر بیشتر باشد احتمال بیشتری میرود که مکانهایی که بر اثر لیزر دچار آسیب میشوند، افزایش یابند (شکل ۳). بهترین روش برای تعیین مقدارLIDT  قطعه اپتیکی ساخته شده و پوشش داده شده، بررسی آنها به شیوه ای است که به طور مداوم سطح شار لیزر را افزایش میدهند تا زمانی که تعداد معینی از مکانهای آسیب دیده مشاهده شوند. انجام چنین آزمایش‌هایی این دید را ایجاد می‌کند که آسیبهای لیزری در کجا ظاهر می‌شوند و در نتیجه آن می‌توان راهکارهایی برای بهبود عملکرد قطعات اپتیکی در نظر گرفت.

 

شکل ۳- (a) نمایش تعدادی از مکانهای آسیب دیده با لیزر، (b) نمایشی از یک مکان آسیب دیده با لیزر.

محیط اطراف قطعات اپتیکی و مورد کاربرد آنها، نیز در عملکرد LIDT نقش دارند. اینکه قطعات اپتیکی در خلأ یا هوا، در دمای سرد و یا گرم به کار گرفته شوند، میتواند بر مقدارLIDT  تأثیر داشته باشد، زیرا آسیبهای لیزری در هر محیط به گونه متفاوتی رخ میدهند.
تمیز بودن و یا عدم آلودگی قطعات اپتیکی لیزر، نیز در عملکرد مناسب و پوشش دهی که برای این قطعات به کار میرود اهمیت دارد. باقی مانده های کوچک، پسماندها و آلودگیهای خارجی میتوانند باعث آسیبهای لیزری شوند، چرا که این مکانها انرژی لیزر را جذب یا پراکنده میکنند. هرچه این قسمتها قبل از پوشش دهی تمیزتر باشند، عملکرد این قطعات اپتیکی بهتر و طول عمر آنها بیشتر میشود.
نظرات مختلفی در مورد استفاده از روشهای پاکسازی مناسب وجود دارد. رایج ترین روش استفاده از نیتروژن برای از بین بردن آلودگیهای موجود، حرکت دادن قطعه اپتیکی روی پاک کننده مرطوب، پاکسازی دستی، غوطه ور کردن در حمام با دمای بالا و پاکسازی فراصوت است. اغلب، ترکیبی از روشهای پاکسازی به کار گرفته میشود. به خاطر ماهیت متفاوت فرآیندهای پاکسازی، شرکتهای مختلف فرآیندهای پاکسازی مختص خود را دارند.

روشهای پوشش دهی
پرکاربردترین روشهای پوشش دهی اپتیکی قطعات اپتیکی لیزر شامل تبخیر باریکه الکترونی[۳]، لایه نشانی پلاسمای[۴] پوشش سخت و کندوپاش باریکه یونی[۵] است. دو روش اخیر، با تکیه بر پیشرفتهای تکنولوژی توسعه یافته برای کاربردهای ارتباط از راه دور، ایجاد شده اند.

جدول ۱- تعدادی از روشهای پوشش دهی.

در مقایسه با روشهای پوشش دهی تبخیری متداول، پوشش دهی سخت موجب بهبود کیفیت سطح، لایه های پوششی کاملاً متراکم با جذب پایین، پراکندگی فوق العاده پایین، مقاومت مکانیکی بالا و ماندگاری محیطی عالی شده است. نام تعدادی از روشهای پوشش دهی در جدول ۱ آمده است. با استفاده از این تکنولوژی، چندین شرکت پوشش دهی قطعات اپتیکی، هدف خود را تولید قطعات اپتیکی برای انرژی‌های بالاتر لیزر قرار داده ‌اند؛ در حالی که سایر شرکتها در جهت تحصیل کنترل بهینه روی عملکرد طیفی پیش میروند. در بعضی موارد پوشش‌های سخت لایه ‌نشانی شده به روش پلاسما دستیابی به هر دو هدف را فراهم می‌کنند.
قطعات اپتیکی لیزر را میتوان با پوشش ضد بازتاب (AR)، پوشش فیلتری یا پوشش آینه ای پوشش داد. پوششهای AR که عبور را افزایش میدهند و از لایه های پوششی کمتری استفاده میکنند، در مقایسه با دیگر انواع پوشش، مقدار  LIDTبیشتری را ممکن میسازند. پوششهای فیلتری در روشهای مختلف، از اجازه عبور طول موجی خاص (مثل پوشش فیلتری خط لیزر) تا اجازه عبور دامنه وسیعتر یا مجموعه ای از طول موج ها (نوارگذر[۶])، به کار گرفته میشوند. در مورد قطعات اپتیکی و لایه های نازک، عواملی از قبیل، قطعات اپتیکی با پراکندگی بسیار پایین (سطوح با پولیش بهینه)، طراحی فیلتر مناسب برای اطمینان از اینکه فوتونها درون لایه های نازک اتلاف زمانی ندارند و پوشش دهی بهتر با جذب پایینتر باعث بالا رفتن آستانه آسیب لیزری میشوند.
پوششهای آینه ای برای کاربردهای لیزری در طول موج UV، مرئی و  IRنزدیک، معمولاً دی الکتریک هستند، که دارای مقاومتی اصلاح شده و حداقل اکسیداسیون در مقایسه با پوششهای فلزی هستند. یک طرح پوشش دهی بهینه، که به طور مطلوب ساخته شده، میتواند به طور قابل توجهی مقدارLIDT  را ارتقاء دهد. کیفیت خوب پوشش دهی و یکنواختی آن باعث آینه هایی پایدار و با دوام میشود. به عنوان مثال، مقدارLIDT  در طول موج ۱۰۶۴ نانومتر و پهنای پالس ۲۰ نانوثانیه، از ۷۰ ژول بر سانتی متر مربع فراتر میرود.
بایستی به این نکته توجه کرد که برای قطعات اپتیکی لیزر، مقادیر مطلق مشروط به طول موج و میزان انعکاس/عبور است، درحالیکه برای اپتیک غیر لیزری معمولاً بازه طول موجی و میانگینها مشخص هستند.
 

Source: http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-53/issue-01/features/flat-optics-tips-on-specifying-and-using-flat-laser-optics.html

---