Hình 1: Cơ chế gây tổn hại do tia laser gây ra khác biệt đáng kể trên thang thời gian phát xung. Các xung dài hơn, kể cả những xung có thời lượng nano giây, gây ra thiệt hại chủ yếu thông qua hiệu ứng nhiệt. Khi thời lượng xung rút ngắn xuống thang thời gian femto giây, sự hấp thụ sóng mang và các hiệu ứng phi tuyến trở thành cơ chế gây hư hỏng chính.
Khi công nghệ laser tiếp tục phát triển, quang học cũng phải đáp ứng các thông số kỹ thuật khắt khe cần thiết cho các ứng dụng có độ chính xác cao. Sức mạnh của tia laser cực nhanh đã cách mạng hóa các quy trình y tế, vi cơ khí, nghiên cứu khoa học cơ bản và nhiều lĩnh vực khác. Đối với các ngành công nghiệp và ứng dụng trước đây bị chi phối bởi laser nano giây, việc áp dụng laser cực nhanh đặt ra một số thách thức, bao gồm các ngưỡng phá hủy laser khác nhau đáng kể đối với các thành phần quang học. Để đảm bảo hiệu quả và tuổi thọ của hệ thống laser, điều quan trọng là phải hiểu được sự khác biệt về ngưỡng phá hủy của laser trong khoảng thời gian xung nano giây và femto giây cũng như lý do gây ra chúng.
Ngưỡng sát thương do tia laser (LDT), đôi khi được gọi là ngưỡng hư hỏng do tia laser gây ra (LIDT), là thông số chính cần được đánh giá khi chọn quang học cho bất kỳ hệ thống laser nào. ISO 21254 định nghĩa LDT là "lượng bức xạ laser tối đa sự cố xảy ra trên một phần tử quang học được cho là có khả năng làm hỏng phần tử số 0...". Định nghĩa này có vẻ đơn giản, nhưng giá trị LDT thực tế phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác ngoài bản chất của chính phần tử quang học. Cụ thể, LDT của một phần tử quang học có thể thay đổi theo nhiều bậc độ lớn khi được đánh giá ở thời lượng xung nano giây ({2}} giây) so với femto giây (10-15 giây). Sự khác biệt lớn này bắt nguồn từ các cơ chế phá hủy tia laser rất khác nhau xảy ra ở các thang thời gian khác nhau này (xem Hình 1).
Cơ chế phá hủy tia laser nano giây
Ngược lại với xung femto giây, các xung dài của laser nano giây gây hư hỏng cho các thành phần quang học chủ yếu thông qua cơ chế nhiệt. Tia laser truyền một lượng lớn năng lượng vào vật liệu của bộ phận quang học, điều này gây ra hiện tượng nóng cục bộ trong khu vực tia laser tới. Sự gia nhiệt này có thể trực tiếp dẫn đến tan chảy hoặc có thể gây ra một số thay đổi về cấu trúc thông qua sự giãn nở nhiệt và gây ra ứng suất cơ học. Ứng suất này có thể tiếp tục gây ra vết nứt hoặc thậm chí dẫn đến sự tách lớp phủ hoàn toàn khỏi nền.
Ngoài việc làm nóng trực tiếp vật liệu phủ, quang học dưới sự chiếu xạ laser nano giây đặc biệt nhạy cảm với các khuyết tật bên trong lớp phủ. Những khuyết tật này hoạt động giống như những cột thu lôi nhỏ bên trong lớp phủ quang học, vì chúng có tốc độ hấp thụ cao hơn nhiều so với môi trường xung quanh. Kết quả là, những vùng khiếm khuyết này nóng lên nhanh hơn nhiều và trong trường hợp bị tia laser gây ra thiệt hại nghiêm trọng, những khiếm khuyết này có thể phát nổ ra khỏi lớp phủ. Cơ chế hư hỏng nghiêm trọng này thường để lại các vết lõm trên bề mặt quang học cũng như một số hạt vật chất tái lắng đọng trên bề mặt ngay sau sự kiện hư hỏng (xem Hình 2).
Hình 2: Thiệt hại do tia laser gây ra bởi tia laser xung nano giây có bước sóng 532nm. Hư hỏng này là do khiếm khuyết trong lớp phủ của phần tử quang học, dẫn đến các vết lõm và các hạt vật chất tái lắng đọng trên bề mặt của phần tử.
Bởi vì các vị trí khuyết tật này gây ra hư hỏng bằng tia laser, nên tỷ lệ khuyết tật càng cao thì LDT thường càng thấp đối với một thành phần quang học nhất định. Do đó, đối với quang học được sử dụng với laser nano giây, trọng tâm là chất lượng bề mặt của quang học. Hơn nữa, thử nghiệm LDT ở quy mô thời gian nano giây là một quá trình có tính thống kê cao. Xác suất hư hỏng ở bất kỳ vị trí nào trên bề mặt quang học là do nhiều yếu tố liên quan, bao gồm kích thước của chùm tia tới, sự phân bố và mật độ của các vị trí khuyết tật cũng như đặc tính vốn có của vật liệu. Những ảnh hưởng đa dạng này cũng giải thích tại sao giá trị LDT nano giây có thể khác nhau đáng kể giữa các lô của cùng một lớp phủ. LDT có thể bị ảnh hưởng bởi sự không nhất quán trong quá trình đánh bóng và chuẩn bị chất nền, những biến động trong quá trình lắng đọng lớp phủ thực tế và thậm chí cả những thay đổi trong điều kiện bảo quản sau lớp phủ.
Những ảnh hưởng khác nhau lên LDT nano giây tương phản với các cơ chế chính gây ra tổn thương do laser femto giây, chủ yếu liên quan đến vật liệu phủ được áp dụng.
Cơ chế sát thương của Laser Femtosecond
Các xung cực nhanh của laser femto giây gây ra thiệt hại thông qua các cơ chế khác nhau, một phần là do công suất cực đại mà chúng tạo ra rất cao. Mặc dù laser nano giây và femto giây có cùng năng lượng xung, công suất cực đại của xung laser femto giây có thể cao hơn khoảng một triệu lần so với laser nano giây do thời gian phát xung ngắn hơn của laser femto giây. Những xung laser cường độ cao này có khả năng kích thích trực tiếp các electron từ vùng hóa trị đến vùng dẫn. Ngay cả khi năng lượng photon của xung laser tới thấp hơn bước nhảy này (được gọi là khoảng cách dải vật liệu), thì lưu lượng cực đại của xung laser cực nhanh vẫn cao đến mức các electron có thể hấp thụ nhiều hơn một photon cùng một lúc. Cơ chế phi tuyến này được gọi là ion hóa đa photon và là con đường phá hủy phổ biến trong quang học laser cực nhanh.
Quá trình ion hóa đường hầm cũng có thể là một con đường gây tổn hại trong quá trình chiếu xạ laser femto giây. Hiện tượng này xảy ra khi xung laser cực nhanh tạo ra một điện trường rất mạnh, mạnh đến mức điện trường tới thực sự làm biến dạng năng lượng trong dải dẫn, cho phép các electron đi xuyên qua dải hóa trị. Khi đủ số electron được kích thích vào vùng dẫn, bức xạ tới bắt đầu kết hợp năng lượng trực tiếp với các electron tự do, dẫn đến sự phá vỡ vật liệu phủ.
Do những con đường phá hủy này, LDT femto giây có tính xác định cao hơn LDT nano giây. Sự phá hủy của tia laser về cơ bản là được "bật" ở một mức năng lượng đầu vào nhất định của laser femto giây, tỷ lệ thuận với dải thông của vật liệu phủ điện môi được phủ. Điều này trái ngược với bản chất xác suất của tổn thương laser nano giây (xem Hình 3).
Hình 3: Kết quả kiểm tra LDT thu được ở điều kiện xung 4ns (trái) và 48fs (phải). Độ dốc phẳng của đường cong thiệt hại nano giây phản ánh tính chất xác suất của phép đo, trong khi sự thay đổi mạnh về xác suất thiệt hại 100% phản ánh cơ chế xác định thiệt hại do laser femto giây.
Ngược lại với con đường phá hủy nano giây của tia laser, điều quan trọng cần lưu ý là các hiệu ứng nhiệt không ảnh hưởng đến LDT của một phần tử quang học trên thang thời gian femto giây. Điều này là do thời lượng của xung laser cực nhanh trên thực tế nhanh hơn so với thang thời gian khuếch tán nhiệt trong cấu trúc vật liệu. Kết quả là, các xung femto giây không tích tụ năng lượng dưới dạng nhiệt vào vật liệu phủ và do đó không tạo ra sự giãn nở nhiệt và ứng suất cơ học như các xung laser nano giây. Vì những lý do chính xác này, laser cực nhanh cực kỳ thuận lợi trong nhiều ứng dụng đòi hỏi phải cắt và đánh dấu độ chính xác cao, chẳng hạn như trong sản xuất ống đỡ động mạch tim.
Lựa chọn quang học phù hợp
Giống như độ dài xung của chúng, các giá trị LDT điển hình cho các xung nano giây và femto giây có thể khác nhau theo một số bậc độ lớn. Khi được đo bằng xung 100 fs, giá trị LDT của gương laze thông thường có thể vào khoảng 0,2 J/cm2; tuy nhiên, khi đo bằng xung 5 ns, LDT của quang học có thể gần tới 10 J/cm2. Những giá trị khác nhau này lúc đầu có thể đáng lo ngại, nhưng chúng chỉ biểu thị các cơ chế hư hỏng rất khác nhau trên các thang thời gian này.
Vì lý do tương tự, cần hết sức cẩn thận khi sử dụng máy tính LDT trên thang thời gian lớn. Nói chung, LDT sẽ lớn hơn khi thời lượng xung tăng lên. Nhưng việc điều chỉnh giá trị LDT từ các xung femto giây đã thích nghi thành các xung nano giây đã thích nghi hoặc từ các xung nano giây đã thích nghi thành các xung femto giây đã thích nghi, có thể dẫn đến hư hỏng quang học. Cách tốt nhất là chọn một quang học có xếp hạng LDT thích hợp đạt được càng gần với điều kiện ứng dụng thực tế của bạn càng tốt (bao gồm bước sóng, tần số lặp lại và thời lượng xung).
Bản tóm tắt
Công nghệ laser sẽ tiếp tục phát triển để đáp ứng nhu cầu về độ chính xác cao hơn. Khi các công nghệ mới này hình thành, việc hiểu được sự khác biệt trong cơ chế gây sát thương bằng tia laze (và thiệt hại nào chiếm ưu thế trong một khoảng thời gian nhất định) sẽ ngày càng trở nên quan trọng trong việc lựa chọn quang học phù hợp cho các ứng dụng trong thế giới thực. Hiểu được những khác biệt này sẽ không chỉ cải thiện hiệu quả và tuổi thọ của các hệ thống laser đang sử dụng mà còn cho phép thích ứng liền mạch với các hệ thống laser tiên tiến hơn trong tương lai.
