Figura 1: Meccanismi di danno indotti dal laser che differiscono significativamente sulle scale di durata dell'impulso. Impulsi più lunghi, compresi quelli con durata di nanosecondi, causano danni principalmente attraverso effetti termici. Quando la durata dell’impulso si riduce alla scala temporale dei femtosecondi, l’assorbimento della portante e gli effetti non lineari diventano i principali meccanismi di danno.
Poiché la tecnologia laser continua ad evolversi, anche le ottiche devono soddisfare le rigorose specifiche richieste per le applicazioni ad alta precisione. La potenza dei laser ultraveloci ha rivoluzionato le procedure mediche, la microlavorazione, la ricerca scientifica di base e molti altri campi. Per i settori e le applicazioni precedentemente dominati dai laser a nanosecondi, l’adozione di laser ultraveloci presenta una serie di sfide, tra cui soglie di danno laser significativamente diverse per i componenti ottici. Per garantire l'efficienza e la longevità dei sistemi laser, è fondamentale comprendere le differenze nelle soglie di danno laser sulle durate degli impulsi di nanosecondi e femtosecondi e le relative ragioni.
La soglia di danno laser (LDT), a volte indicata come soglia di danno indotto dal laser (LIDT), è un parametro chiave da valutare quando si seleziona l'ottica per qualsiasi sistema laser. La norma ISO 21254 definisce la LDT come "la quantità massima di radiazione laser incidente su un elemento ottico che si presume abbia una probabilità di danneggiare l'elemento zero...". Questa definizione sembra abbastanza semplice, ma il valore LDT effettivo dipende da una serie di fattori diversi dalla natura dell'elemento ottico stesso. In particolare, l'LDT di un elemento ottico può variare di diversi ordini di grandezza se valutato a durate di impulso di nanosecondi (10-9s) rispetto a femtosecondi (10-15s). Questa grande differenza deriva dai meccanismi di danno laser molto diversi che si verificano su queste diverse scale temporali (vedere Figura 1).
Meccanismi di danno del laser a nanosecondi
A differenza degli impulsi a femtosecondi, gli impulsi lunghi dei laser a nanosecondi danneggiano i componenti ottici principalmente attraverso meccanismi termici. Il laser deposita una grande quantità di energia nel materiale dell'elemento ottico, che innesca un riscaldamento localizzato nel punto di incidenza del laser. Questo riscaldamento può portare direttamente alla fusione, oppure può causare alcuni cambiamenti strutturali attraverso l'espansione termica e il conseguente stress meccanico. Questa sollecitazione può provocare fessurazioni o addirittura portare alla completa separazione del rivestimento dal substrato.
Oltre al riscaldamento diretto del materiale di rivestimento, le ottiche sotto l'irradiazione laser di nanosecondi sono particolarmente sensibili ai difetti all'interno del rivestimento. Questi difetti agiscono come piccoli parafulmini all'interno del rivestimento ottico, poiché hanno un tasso di assorbimento molto più elevato rispetto all'ambiente circostante. Di conseguenza, queste regioni difettose si riscaldano molto più rapidamente e, in caso di danni laser catastrofici, questi difetti possono esplodere dal rivestimento. Questo meccanismo di danno drastico lascia tipicamente dei crateri sulla superficie dell'ottica, così come del particolato che si rideposita sulla superficie immediatamente dopo l'evento del danno (vedi Figura 2).
Figura 2: Danno laser prodotto da un laser pulsato da 532 nm nanosecondi. Questo danno è stato causato da un difetto nel rivestimento dell'elemento ottico, che ha provocato crateri e ridepositato materiale particolato sulla superficie dell'elemento.
Poiché questi siti di difetto danno origine al danno laser, maggiore è la presenza di difetti, minore è tipicamente l'LDT per un dato elemento ottico. Pertanto, per le ottiche utilizzate con laser a nanosecondi, l'attenzione è rivolta alla qualità della superficie dell'ottica. Inoltre, il test LDT sulla scala temporale dei nanosecondi è un processo altamente statistico. La probabilità di danno in una determinata posizione su una superficie ottica è dovuta a molti fattori correlati, tra cui la dimensione del raggio incidente, la distribuzione e la densità delle posizioni dei difetti e le proprietà intrinseche del materiale. Queste molteplici influenze spiegano anche perché i valori LDT in nanosecondi possono variare in modo significativo tra lotti dello stesso rivestimento. L'LDT può essere influenzato da incoerenze nella lucidatura e preparazione del substrato, fluttuazioni nell'effettivo processo di deposizione del rivestimento e persino cambiamenti nelle condizioni di conservazione post-rivestimento.
Le varie influenze sull'LDT al nanosecondo contrastano con i principali meccanismi responsabili del danno del laser a femtosecondi, che è principalmente correlato al materiale di rivestimento applicato.
Meccanismi di danno al laser a femtosecondi
Gli impulsi ultraveloci dei laser a femtosecondi causano danni attraverso diversi meccanismi, in parte a causa della potenza di picco molto elevata che producono. Anche se i laser a nanosecondi e a femtosecondi hanno la stessa energia di impulso, la potenza di picco di un impulso laser a femtosecondi può essere circa un milione di volte superiore a quella di un laser a nanosecondi a causa della durata dell’impulso più breve di un laser a femtosecondi. Questi impulsi laser ad alta intensità sono in grado di eccitare direttamente gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Anche se l’energia dei fotoni dell’impulso laser incidente è inferiore a questo salto (noto come gap di banda del materiale), la fluenza di picco dell’impulso laser ultraveloce è così elevata che gli elettroni possono assorbire più di un fotone alla volta. Questo meccanismo non lineare è noto come ionizzazione multifotone ed è un percorso di danno comune nell'ottica laser ultraveloce.
La ionizzazione tunnel può anche essere una via di danno nell'irradiazione laser a femtosecondi. Questo fenomeno si verifica quando l’impulso laser ultraveloce genera un campo elettrico molto forte, così forte che il campo elettrico incidente distorce effettivamente l’energia nella banda di conduzione, consentendo agli elettroni di passare attraverso la banda di valenza. Una volta che nella banda di conduzione sono stati eccitati abbastanza elettroni, la radiazione incidente inizia ad accoppiare l'energia direttamente negli elettroni liberi, provocando la rottura del materiale di rivestimento.
A causa di questi percorsi di danno, l’LDT al femtosecondo è più deterministico dell’LDT al nanosecondo. Il danno laser viene essenzialmente "attivato" a una certa fluenza in ingresso del laser a femtosecondi, che è proporzionale alla banda proibita del materiale di rivestimento dielettrico rivestito. Ciò contrasta con la natura probabilistica del danno laser ai nanosecondi (vedere Figura 3).
Immagine Figura 3: Risultati del test LDT ottenuti in condizioni di impulso di 4 ns (sinistra) e 48 fs (destra). La pendenza piatta della curva di danno al nanosecondo riflette la natura probabilistica delle misurazioni, mentre il netto spostamento verso la probabilità di danno del 100% riflette il meccanismo deterministico del danno laser a femtosecondi.
A differenza del percorso del danno laser nell’ordine dei nanosecondi, è importante notare che gli effetti termici non influenzano l’LDT di un elemento ottico sulla scala temporale dei femtosecondi. Questo perché la durata di un impulso laser ultraveloce è, infatti, più veloce del scala temporale della diffusione termica all’interno della struttura del materiale. Di conseguenza, gli impulsi al femtosecondo non depositano energia sotto forma di calore nel materiale di rivestimento e quindi non generano espansione termica e stress meccanico come fanno gli impulsi laser ai nanosecondi. Proprio per questi motivi, i laser ultraveloci sono estremamente vantaggiosi in molte applicazioni che richiedono taglio e marcatura ad alta precisione, come nella produzione di stent cardiovascolari.
Scegliere l'ottica giusta
Come la durata degli impulsi, i valori LDT tipici per gli impulsi ai nanosecondi e ai femtosecondi possono differire di diversi ordini di grandezza. Quando misurato con un impulso di 100 fs, il valore LDT di un normale specchio laser può essere di circa 0,2 J/cm2; tuttavia, se misurato con un impulso di 5 ns, l'LDT dell'ottica può essere più vicino a 10 J/cm2. Questi diversi valori possono essere preoccupanti all'inizio, ma sono semplicemente indicativi dei meccanismi di danno molto diversi su queste scale temporali.
Per lo stesso motivo, è necessario prestare particolare attenzione quando si utilizzano calcolatori LDT su scale temporali di grandi dimensioni. In generale, l'LDT aumenta all'aumentare della durata dell'impulso. Ma la regolazione del valore LDT da impulsi adattati a femtosecondi a impulsi adattati a nanosecondi, o da impulsi adattati a nanosecondi a impulsi adattati a femtosecondi, potrebbe causare danni all’ottica. È consigliabile selezionare un'ottica con un rating LDT appropriato che sia il più vicino possibile alle condizioni di applicazione effettive (incluse lunghezza d'onda, frequenza di ripetizione e durata dell'impulso).
Riepilogo
La tecnologia laser continuerà ad evolversi per soddisfare l’esigenza di maggiore precisione. Man mano che queste nuove tecnologie prendono forma, comprendere le differenze nei meccanismi di danno del laser (e quale danno prevale su una determinata scala temporale) diventerà sempre più importante per selezionare l’ottica giusta per le applicazioni del mondo reale. Comprendere queste differenze non solo migliorerà l’efficienza e la durata dei sistemi laser in uso, ma consentirà anche un adattamento senza soluzione di continuità ai sistemi laser più avanzati del futuro.
