איור 1: מנגנוני נזק המושרה על ידי לייזר הנבדלים באופן משמעותי בסקאלות משך הדופק. פולסים ארוכים יותר, כולל אלה עם ננו-שניות, גורמים נזק בעיקר באמצעות השפעות תרמיות. ככל שמשך הדופק מתקצר לסולם הזמן הפמטו-שניות, ספיגת הנשא וההשפעות הלא ליניאריות הופכות למנגנוני הנזק העיקריים.
ככל שטכנולוגיית הלייזר ממשיכה להתפתח, כך חייבת האופטיקה לעמוד במפרטים התובעניים הנדרשים ליישומים דיוק גבוה. כוחם של הלייזרים האולטרה-מהירים חולל מהפכה בהליכים רפואיים, עיבוד מיקרו, מחקר מדעי בסיסי ותחומים רבים אחרים. עבור תעשיות ויישומים שנשלטו בעבר על ידי לייזרים ננו-שניות, האימוץ של לייזרים מהירים במיוחד מציג מספר אתגרים, כולל ספי נזקי לייזר שונים באופן משמעותי עבור רכיבים אופטיים. כדי להבטיח את היעילות ואת אורך החיים של מערכות הלייזר, חיוני להבין את ההבדלים בספי נזקי הלייזר על פני משכי הדופק של ננו-שניות ופמט-שניות ואת הסיבות להם.
סף נזקי הלייזר (LDT), המכונה לפעמים סף הנזק המושרה על ידי לייזר (LIDT), הוא פרמטר מפתח שיש להעריך בעת בחירת אופטיקה עבור כל מערכת לייזר. ISO 21254 מגדיר את ה-LDT כ"כמות המרבית של קרינת לייזר תקלה באלמנט אופטי שיש להניח שיש לו סבירות לפגוע באלמנט של אפס...". הגדרה זו נראית פשוטה מספיק, אך ערך ה-LDT בפועל תלוי במגוון גורמים מלבד אופי האלמנט האופטי עצמו. בפרט, ה-LDT של אלמנט אופטי עשוי להשתנות במספר סדרי גודל כאשר הוא מוערך בננו-שניות (10-9 שניות) לעומת משכי דופק של פמט-שניות (10-15s). ההבדל הגדול הזה נובע ממנגנוני נזקי הלייזר השונים מאוד המתרחשים בסקאלות זמן שונות אלה (ראה איור 1).
מנגנוני נזק לייזר ננו-שניות
בניגוד לפולסים של פמט-שנייה, הפולסים הארוכים של לייזרים ננו-שניות גורמים נזק לרכיבים אופטיים בעיקר באמצעות מנגנונים תרמיים. הלייזר מפקיד כמות גדולה של אנרגיה לתוך החומר של האלמנט האופטי, מה שמפעיל חימום מקומי באתר של נפילת הלייזר. חימום זה עלול להוביל ישירות להמסה, או שהוא עלול לגרום לשינויים מבניים מסוימים באמצעות התפשטות תרמית ולחץ מכני כתוצאה מכך. לחץ זה עלול להמשיך ולגרום לסדקים או אפילו להוביל להפרדה מוחלטת של הציפוי מהמצע.
בנוסף לחימום הישיר של חומר הציפוי, אופטיקה תחת קרינת לייזר ננו-שנייה רגישה במיוחד לפגמים בתוך הציפוי. פגמים אלה פועלים כמו מוטות ברק קטנים בתוך הציפוי האופטי, שכן יש להם קצב ספיגה גבוה בהרבה מהסביבה שלהם. כתוצאה מכך, אזורים פגומים אלו מתחממים הרבה יותר מהר, ובמקרה של נזקי לייזר קטסטרופליים, פגמים אלו עלולים להתפוצץ אל מחוץ לציפוי. מנגנון נזק דרסטי זה משאיר בדרך כלל מכתשים על פני השטח של האופטיקה, כמו גם חלקיקי חומר שמשתקע מחדש על פני השטח מיד לאחר אירוע הנזק (ראה איור 2).
איור 2: נזק ללייזר שנוצר על ידי לייזר דופק של 532nm ננו-שניות. נזק זה נגרם עקב פגם בתוך הציפוי של האלמנט האופטי, וכתוצאה מכך מכתשים וחומר חלקיקי שהושקע מחדש על פני היסוד.
מכיוון שאתרי פגמים אלו גורמים לנזק בלייזר, ככל שנוכחותם של פגמים גבוהה יותר, כך ה-LDT נמוך יותר בדרך כלל עבור אלמנט אופטי נתון. לכן, עבור אופטיקה המשמשת עם לייזרים ננו-שניות, ההתמקדות היא באיכות פני השטח של האופטיקה. יתרה מכך, בדיקת LDT בסולם זמן ננו-שניות היא תהליך סטטיסטי ביותר. ההסתברות לנזק בכל מיקום נתון על משטח אופטי נובעת מגורמים קשורים רבים, לרבות גודל האלומה המתרחשת, הפצה וצפיפות של מיקומי פגמים ותכונות החומר המובנה. השפעות מרובות אלו מסבירות גם מדוע ערכי LDT של ננו-שניות יכולים להשתנות באופן משמעותי בין קבוצות של אותו ציפוי. LDT יכול להיות מושפע מחוסר עקביות בליטוש מצע ובהכנה, תנודות בתהליך השקעת הציפוי בפועל, ואפילו שינויים בתנאי האחסון שלאחר הציפוי.
ההשפעות השונות על LDT ננו-שניות מנוגדות למנגנונים העיקריים האחראים על נזקי הלייזר של הפמט-שנייה, הקשורים בעיקר לחומר הציפוי המיושם.
מנגנוני נזק בלייזר של פמט שנייה
פולסים מהירים במיוחד של לייזרים פמט-שניות גורמים לנזק באמצעות מנגנונים שונים, בין השאר בגלל שיא ההספק הגבוה מאוד שהם מייצרים. למרות שללייזר ננו-שניות ופמט-שניות יש את אותה אנרגיית פולס, הספק השיא של דופק לייזר פמט-שניות יכול להיות גבוה פי מיליון מזה של לייזר ננו-שניות, בשל משך הדופק הקצר יותר של לייזר פמט-שנייה. פולסי לייזר בעוצמה גבוהה אלו מסוגלים לרגש אלקטרונים ישירות מרצועת הערכיות לפס ההולכה. גם אם אנרגיית הפוטונים של פעימת הלייזר הנכנסת נמוכה מהקפיצה הזו (המכונה פער רצועת החומר), שיא השטף של דופק הלייזר האולטרה-מהיר הוא כה גבוה עד שהאלקטרונים יכולים לספוג יותר מפוטון אחד בכל פעם. מנגנון לא ליניארי זה ידוע בשם יינון מולטיפוטונים והוא מסלול נזק נפוץ באופטיקה של לייזר מהירה במיוחד.
יינון מנהור עשוי להיות גם מסלול נזק בהקרנת לייזר פמט שנייה. תופעה זו מתרחשת כאשר דופק הלייזר האולטרה-מהיר מייצר שדה חשמלי חזק מאוד שהוא כל כך חזק עד שהשדה החשמלי המתרחש למעשה מעוות את האנרגיה ברצועת ההולכה, מה שמאפשר לאלקטרונים לעבור דרך פס הערכיות. ברגע שמספיק אלקטרונים נרגשים לרצועת ההולכה, הקרינה הנכנסת מתחילה לקשר את האנרגיה ישירות לאלקטרונים החופשיים, וכתוצאה מכך להתמוטט חומר הציפוי.
בשל מסלולי נזק אלו, LDT פמט-שניה דטרמיניסטי יותר מאשר LDT ננו-שני. נזקי הלייזר בעצם "מופעלים" בשטף קלט מסוים של הלייזר הפמט-שנייה, שהיא פרופורציונלית לרווח הפס של חומר הציפוי הדיאלקטרי המצופה. זה מנוגד לאופי ההסתברותי של נזקי לייזר ננו-שניות (ראה איור 3).
תמונה איור 3: תוצאות בדיקת LDT שהתקבלו בתנאי דופק של 4ns (שמאל) ו-48fs (ימין). השיפוע השטוח של עקומת הנזק של ננו-שניות משקף את האופי ההסתברותי של המדידות, בעוד שהשינוי החד לעבר 100% הסתברות נזק משקף את המנגנון הדטרמיניסטי של נזקי הלייזר הפמטו-שניות.
בניגוד למסלול הנזק בלייזר של ננו-שניות, חשוב לציין שהשפעות תרמיות אינן משפיעות על ה-LDT של אלמנט אופטי בסולם הזמן של הפמט-שניות. הסיבה לכך היא שמשך דופק לייזר מהיר במיוחד הוא מהיר יותר מאשר סולם זמן של דיפוזיה תרמית בתוך מבנה החומר. כתוצאה מכך, פולסי פמט-שנייה אינם מפקידים אנרגיה כחום לחומר הציפוי, ולכן אינם יוצרים התפשטות תרמית ולחץ מכני כפי שעושים פעימות לייזר של ננו-שניות. מסיבות אלו בדיוק, לייזרים מהירים במיוחד הם יתרון רב ביישומים רבים הדורשים חיתוך וסימון דיוק גבוה, כגון בייצור של סטנטים קרדיווסקולריים.
בחירת האופטיקה הנכונה
כמו משך הדופק שלהם, ערכי ה-LDT האופייניים לפולסים של ננו-שנייה ופמט-שנייה יכולים להיות שונים במספר סדרי גודל. כאשר נמדד עם דופק של 100 fs, ערך ה-LDT של מראת לייזר רגילה עשוי להיות בערך 0.2 J/cm2; עם זאת, כאשר נמדד עם דופק של 5 ns, ה-LDT של האופטיקה עשוי להיות קרוב יותר ל-10 J/cm2 ערכים שונים אלו עשויים להיות מדאיגים בהתחלה, אך הם רק מעידים על מנגנוני הנזק השונים מאוד בסקאלות זמן אלו.
מאותה סיבה, יש לנקוט משנה זהירות בעת שימוש במחשבוני LDT בהיקפי זמן גדולים. באופן כללי, ה-LDT הולך וגדל ככל שמשך הדופק עולה. אבל התאמת ערך ה-LDT מפולסים מותאמים של פמט-שנייה לפולסים מותאמים של ננו-שניות, או מפולסים מותאמים של ננו-שניות לפולסים של פמט-שנייה מותאמים, צפויה לגרום לנזק לאופטיקה. שיטת העבודה הטובה ביותר היא לבחור אופטיקה עם דירוג LDT מתאים המתקבל קרוב ככל האפשר לתנאי היישום בפועל (כולל אורך גל, תדירות חזרות ומשך הדופק).
תַקצִיר
טכנולוגיית הלייזר תמשיך להתפתח כדי לענות על הצורך בדיוק רב יותר. ככל שהטכנולוגיות החדשות הללו מתגבשות, הבנת ההבדלים במנגנוני נזקי הלייזר (ואילו נזקים שולטים בטווח זמן נתון) תהפוך חשובה יותר בבחירת האופטיקה הנכונה ליישומים בעולם האמיתי. הבנת ההבדלים הללו לא רק תשפר את היעילות ואת משך החיים של מערכות לייזר בשימוש, אלא גם תאפשר התאמה חלקה למערכות לייזר מתקדמות יותר של העתיד.
