รูปที่ 1: กลไกความเสียหายที่เกิดจากเลเซอร์ซึ่งแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในระดับระยะเวลาพัลส์ พัลส์ที่ยาวขึ้น รวมถึงพัลส์ที่มีระยะเวลานาโนวินาที ทำให้เกิดความเสียหายเป็นหลักจากผลกระทบด้านความร้อน เมื่อระยะเวลาพัลส์สั้นลงจนถึงระดับเวลาเฟมโตวินาที การดูดซับของพาหะและผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้นจะกลายเป็นกลไกความเสียหายหลัก
เนื่องจากเทคโนโลยีเลเซอร์มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ออพติคจึงต้องตอบสนองข้อกำหนดเฉพาะที่จำเป็นสำหรับการใช้งานที่มีความแม่นยำสูงด้วย พลังของเลเซอร์ที่เร็วเป็นพิเศษได้ปฏิวัติกระบวนการทางการแพทย์ การใช้เครื่องจักรขนาดเล็ก การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐาน และสาขาอื่นๆ อีกมากมาย สำหรับอุตสาหกรรมและการใช้งานที่ก่อนหน้านี้ถูกครอบงำโดยเลเซอร์นาโนวินาที การนำเลเซอร์ที่เร็วมากมาใช้ทำให้เกิดความท้าทายหลายประการ รวมถึงเกณฑ์ความเสียหายของเลเซอร์ที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญสำหรับส่วนประกอบทางแสง เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพและอายุการใช้งานที่ยาวนานของระบบเลเซอร์ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจความแตกต่างในเกณฑ์ความเสียหายของเลเซอร์เหนือระยะเวลาพัลส์นาโนวินาทีและเฟมโตวินาที และเหตุผล
เกณฑ์ความเสียหายด้วยเลเซอร์ (LDT) ซึ่งบางครั้งเรียกว่าเกณฑ์ความเสียหายที่เกิดจากเลเซอร์ (LIDT) เป็นพารามิเตอร์สำคัญที่ต้องประเมินเมื่อเลือกเลนส์สำหรับระบบเลเซอร์ ISO 21254 กำหนด LDT ว่าเป็น "ปริมาณรังสีเลเซอร์สูงสุด เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นกับองค์ประกอบทางแสงซึ่งสันนิษฐานว่ามีความเป็นไปได้ที่จะสร้างความเสียหายให้กับองค์ประกอบที่เป็นศูนย์…” คำจำกัดความนี้ดูเหมือนง่ายเพียงพอ แต่ค่า LDT จริงนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ นอกเหนือจากลักษณะขององค์ประกอบทางแสงเอง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง LDT ขององค์ประกอบเชิงแสงอาจแตกต่างกันตามลำดับความสำคัญหลายระดับเมื่อประเมินที่ระยะเวลาพัลส์ระดับนาโนวินาที (10-9s) เทียบกับเฟมโตวินาที (10-15s) ความแตกต่างขนาดใหญ่นี้เกิดจากกลไกความเสียหายของเลเซอร์ที่แตกต่างกันมากซึ่งเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่แตกต่างกันเหล่านี้ (ดูรูปที่ 1)
กลไกความเสียหายของเลเซอร์ระดับนาโนวินาที
ตรงกันข้ามกับพัลส์ femtosecond พัลส์ยาวของเลเซอร์นาโนวินาทีทำให้เกิดความเสียหายต่อส่วนประกอบทางแสงผ่านกลไกทางความร้อนเป็นหลัก เลเซอร์สะสมพลังงานจำนวนมากไว้ในวัสดุขององค์ประกอบแสง ซึ่งจะกระตุ้นให้เกิดความร้อนเฉพาะจุดภายในบริเวณที่เกิดเลเซอร์ การให้ความร้อนนี้อาจนำไปสู่การหลอมละลายโดยตรง หรืออาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างบางอย่างผ่านการขยายตัวทางความร้อนและส่งผลให้เกิดความเครียดทางกล ความเครียดนี้อาจดำเนินต่อไปทำให้เกิดการแตกร้าวหรือแม้กระทั่งนำไปสู่การแยกสารเคลือบออกจากพื้นผิวโดยสมบูรณ์
นอกเหนือจากการให้ความร้อนโดยตรงของวัสดุเคลือบแล้ว เลนส์ภายใต้การฉายรังสีด้วยเลเซอร์ระดับนาโนวินาทียังมีความไวต่อข้อบกพร่องภายในสารเคลือบเป็นพิเศษ ข้อบกพร่องเหล่านี้ทำหน้าที่เหมือนแท่งล่อฟ้าเล็กๆ ภายในการเคลือบแสง เนื่องจากมีอัตราการดูดซับที่สูงกว่าสิ่งรอบตัวมาก เป็นผลให้บริเวณที่มีข้อบกพร่องเหล่านี้ร้อนเร็วขึ้นมาก และในกรณีที่เกิดความเสียหายจากเลเซอร์อย่างรุนแรง ข้อบกพร่องเหล่านี้สามารถระเบิดออกจากการเคลือบได้ กลไกความเสียหายที่รุนแรงนี้มักจะทิ้งหลุมอุกกาบาตไว้บนพื้นผิวของเลนส์ เช่นเดียวกับอนุภาคบางส่วนที่สะสมใหม่บนพื้นผิวทันทีหลังจากเกิดเหตุการณ์ความเสียหาย (ดูรูปที่ 2)
รูปที่ 2: ความเสียหายของเลเซอร์ที่เกิดจากเลเซอร์พัลซิ่งนาโนวินาทีขนาด 532 นาโนเมตร ความเสียหายนี้เกิดจากข้อบกพร่องภายในการเคลือบองค์ประกอบทางแสง ส่งผลให้เกิดหลุมอุกกาบาตและอนุภาคที่สะสมใหม่บนพื้นผิวขององค์ประกอบ
เนื่องจากจุดที่มีข้อบกพร่องเหล่านี้ทำให้เกิดความเสียหายจากเลเซอร์ ยิ่งมีข้อบกพร่องมากเท่าใด โดยทั่วไป LDT สำหรับองค์ประกอบทางแสงที่กำหนดก็จะยิ่งต่ำลง ดังนั้น สำหรับเลนส์ที่ใช้กับเลเซอร์ระดับนาโนวินาที จุดเน้นจึงอยู่ที่คุณภาพพื้นผิวของเลนส์ นอกจากนี้ การทดสอบ LDT ในระดับเวลานาโนวินาทียังเป็นกระบวนการทางสถิติที่สูง ความน่าจะเป็นของความเสียหาย ณ ตำแหน่งใดๆ บนพื้นผิวแสงนั้นเกิดจากปัจจัยที่เกี่ยวข้องหลายประการ รวมถึงขนาดของลำแสงที่ตกกระทบ การกระจายตัวและความหนาแน่นของตำแหน่งที่มีข้อบกพร่อง และคุณสมบัติของวัสดุโดยธรรมชาติ อิทธิพลหลายประการเหล่านี้ยังอธิบายด้วยว่าเหตุใดค่า LDT ในระดับนาโนวินาทีจึงอาจแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างชุดการเคลือบเดียวกัน LDT อาจได้รับผลกระทบจากความไม่สอดคล้องกันในการขัดเงาและการเตรียมพื้นผิว ความผันผวนของกระบวนการสะสมของการเคลือบจริง และแม้แต่การเปลี่ยนแปลงในสภาวะการเก็บรักษาหลังการเคลือบ
อิทธิพลต่างๆ ของ LDT ในระดับนาโนวินาทีนั้นตรงกันข้ามกับกลไกหลักที่รับผิดชอบต่อความเสียหายของเลเซอร์ femtosecond ซึ่งส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับวัสดุเคลือบที่ใช้
กลไกความเสียหายของเลเซอร์เฟมโตวินาที
พัลส์ที่เร็วมากของเลเซอร์เฟมโตวินาทีทำให้เกิดความเสียหายผ่านกลไกต่างๆ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะพลังงานสูงสุดที่เลเซอร์สร้างขึ้น แม้ว่าเลเซอร์ระดับนาโนวินาทีและเฟมโตวินาทีจะมีพลังงานพัลส์เท่ากัน แต่กำลังสูงสุดของพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีอาจสูงกว่าเลเซอร์นาโนวินาทีประมาณล้านเท่า เนื่องจากระยะเวลาพัลส์ของเลเซอร์เฟมโตวินาทีสั้นกว่า พัลส์เลเซอร์ความเข้มสูงเหล่านี้สามารถส่งอิเล็กตรอนที่น่าตื่นเต้นได้โดยตรงจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้า แม้ว่าพลังงานโฟตอนของพัลส์เลเซอร์ที่ตกกระทบจะต่ำกว่าการกระโดดนี้ (เรียกว่าช่องว่างของแถบวัสดุ) แต่ความฟุ้งซ่านสูงสุดของพัลส์เลเซอร์ที่เร็วมากนั้นสูงมากจนอิเล็กตรอนสามารถดูดซับโฟตอนได้มากกว่าหนึ่งโฟตอนในแต่ละครั้ง กลไกไม่เชิงเส้นนี้เรียกว่ามัลติโฟตอนไอออไนเซชัน และเป็นเส้นทางความเสียหายทั่วไปในเลนส์เลเซอร์ที่เร็วมาก
ไอออนไนซ์แบบทันเนลอาจเป็นเส้นทางความเสียหายในการฉายรังสีด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาที ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อพัลส์เลเซอร์ที่เร็วมากสร้างสนามไฟฟ้าที่มีกำลังแรงมากจนสนามไฟฟ้าที่ตกกระทบนั้นบิดเบือนพลังงานในแถบการนำไฟฟ้า ซึ่งช่วยให้อิเล็กตรอนลอดผ่านแถบเวเลนซ์ได้ เมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้นเข้าสู่แถบการนำไฟฟ้ามากพอ การแผ่รังสีที่ตกกระทบจะเริ่มรวมพลังงานเข้ากับอิเล็กตรอนอิสระโดยตรง ส่งผลให้วัสดุเคลือบแตกตัว
เนื่องจากเส้นทางความเสียหายเหล่านี้ femtosecond LDT จึงสามารถกำหนดได้มากกว่า LDT ระดับนาโนวินาที ความเสียหายของเลเซอร์นั้นโดยพื้นฐานแล้วจะ "เปิด" ที่ความถี่อินพุตที่แน่นอนของเลเซอร์ femtosecond ซึ่งเป็นสัดส่วนกับช่องว่างของแถบความถี่ของวัสดุเคลือบอิเล็กทริกที่เคลือบ สิ่งนี้แตกต่างกับลักษณะความน่าจะเป็นของความเสียหายของเลเซอร์ระดับนาโนวินาที (ดูรูปที่ 3)
รูปภาพ 3: ผลการทดสอบ LDT ที่ได้รับที่สภาวะพัลส์ 4ns (ซ้าย) และ 48fs (ขวา) ความชันแบบเรียบของกราฟความเสียหายระดับนาโนวินาทีสะท้อนถึงลักษณะความน่าจะเป็นของการวัด ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วไปสู่ความน่าจะเป็นความเสียหาย 100% สะท้อนถึงกลไกที่กำหนดของความเสียหายด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาที
ตรงกันข้ามกับเส้นทางความเสียหายของเลเซอร์ระดับนาโนวินาที สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าผลกระทบจากความร้อนไม่ส่งผลต่อ LDT ขององค์ประกอบทางแสงบนมาตราส่วนเวลาเฟมโตวินาที นี่เป็นเพราะว่าในความเป็นจริงแล้วระยะเวลาของพัลส์เลเซอร์ที่เร็วมากนั้นเร็วกว่า มาตราส่วนเวลาของการแพร่กระจายความร้อนภายในโครงสร้างวัสดุ ผลก็คือ พัลส์เฟมโตวินาทีไม่สะสมพลังงานเป็นความร้อนลงในวัสดุเคลือบ ดังนั้นจึงไม่สร้างการขยายตัวทางความร้อนและความเค้นเชิงกลเช่นเดียวกับพัลส์เลเซอร์นาโนวินาที ด้วยเหตุผลที่แท้จริงเหล่านี้ เลเซอร์ที่เร็วเป็นพิเศษจึงมีข้อได้เปรียบอย่างมากในการใช้งานหลายอย่างที่ต้องใช้การตัดและการทำเครื่องหมายที่มีความแม่นยำสูง เช่น ในการผลิตขดลวดหลอดเลือดหัวใจ
การเลือกเลนส์ที่เหมาะสม
เช่นเดียวกับระยะเวลาพัลส์ ค่า LDT โดยทั่วไปสำหรับพัลส์ระดับนาโนวินาทีและเฟมโตวินาทีอาจแตกต่างกันตามขนาดหลายระดับ เมื่อวัดด้วยพัลส์ 10 fs ค่า LDT ของกระจกเลเซอร์ธรรมดาอาจอยู่ที่ประมาณ 0.2 J/cm2; อย่างไรก็ตาม เมื่อวัดด้วยพัลส์ 5 ns ค่า LDT ของใยแก้วนำแสงอาจใกล้กับ 10 J/cm2 ค่าที่แตกต่างกันเหล่านี้อาจน่ากังวลในตอนแรก แต่เป็นเพียงตัวบ่งชี้ถึงกลไกความเสียหายที่แตกต่างกันอย่างมากในช่วงเวลาเหล่านี้
ด้วยเหตุผลเดียวกัน ควรใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษเมื่อใช้เครื่องคิดเลข LDT ในช่วงเวลาขนาดใหญ่ โดยทั่วไป LDT จะมีขนาดใหญ่ขึ้นเมื่อระยะเวลาของชีพจรเพิ่มขึ้น แต่การปรับค่า LDT จากพัลส์เฟมโตวินาทีที่ดัดแปลงไปเป็นพัลส์นาโนวินาทีที่ดัดแปลง หรือจากพัลส์นาโนวินาทีที่ดัดแปลงไปเป็นพัลส์เฟมโตวินาทีที่ดัดแปลง มีแนวโน้มที่จะส่งผลให้เกิดความเสียหายต่อเลนส์ แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการเลือกออปติกที่มีระดับ LDT ที่เหมาะสมซึ่งได้ใกล้เคียงกับสภาพการใช้งานจริงของคุณมากที่สุด (รวมถึงความยาวคลื่น ความถี่การเกิดซ้ำ และระยะเวลาพัลส์)
สรุป
เทคโนโลยีเลเซอร์จะมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองความต้องการความแม่นยำที่มากขึ้น เมื่อเทคโนโลยีใหม่เหล่านี้เป็นรูปเป็นร่าง การทำความเข้าใจความแตกต่างในกลไกความเสียหายของเลเซอร์ (และความเสียหายที่ครอบงำในช่วงเวลาที่กำหนด) จะมีความสำคัญมากขึ้นในการเลือกเลนส์ที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง การทำความเข้าใจความแตกต่างเหล่านี้จะไม่เพียงแต่ปรับปรุงประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของระบบเลเซอร์ที่ใช้งานอยู่เท่านั้น แต่ยังช่วยให้สามารถปรับให้เข้ากับระบบเลเซอร์ขั้นสูงในอนาคตได้อย่างราบรื่นอีกด้วย
