Optika és látórendszerek
Sánta Imre (2012)
EDUTUS Főiskola
A koherens és monokromatikus lézernyaláb és a nagyobb lézerek esetenként nagyobb teljesítménysűrűsége speciális követelményeket támaszt a lézerekben és a hozzá kapcsolódó optikai rendszerekben használt optikai elemekkel szemben.
Az alkalmazott optikai elemek akár a rezonátoron belül (intra-cavity), akár a rezonátorból kilépő lézernyaláb útjában (extra-cavity) helyezkednek el, nagy tisztaságú optikai alapanyagokból kell, hogy készüljenek, az optikai felületek megmunkálása és bevonatolása nagyon pontos, a sérüléseknek ellenálló és gyakorlatilag felületi hibamentesnek kell, hogy legyen.
Ezek a követelmények az ipari (anyagmegmunkálások terén) vagy orvosi (sebészeti) környezetben megnehezítik a nyalábvezető és nyalábmanipuláló optikai rendszerek kialakítását. Gondoskodni kell arról, hogy a felfröccsenő anyagok, a keletkező gázok és gőzök ne kerülhessenek az optikai elemek felületére, de a megmunkálástól távoli optikai elemeket is védeni kell a szennyeződésektől. Ha ugyanis a nyalábból az optikai testre került szennyeződésre jutó sugarak energiája elnyelődik és hővé alakul, az optikai elem javíthatatlan károsodást szenved.
4.8.1.1. ábra
4.8.1.2. ábra
A 4.8.1.1. ábrán a lézeres vágás során fellépő jelenség látható. A 4.8.1.2. ábra a fókuszáló optikát tartalmazó vágófej egyszerűsített elrendezését mutatja. Látható, hogy a lencse elé nagy nyomáson befújt gáz a fúvókában kialakuló túlnyomás és gázkiáramlás miatt nem engedi beáramlani a fúvókába a vágási résből kilépő anyagrészecskéket és gázokat. A 4.8.1.3. ábrán a lézernyalábbal „átfúrt”, sérült, használhatatlan lencsék láthatók.
4.8.1.3. ábra
Még szigorúbb követelmények lépnek fel a lézeres kutatási nagyberendezések fejlesztésekor.
A nagyon rövid lézerimpulzusok esetében a lézerimpulzus csúcsteljesítménye óriási lehet még átlagosnak mondható impulzusenergia mellett is. Ma már attoszekundumos (10-18sec) tartományban működő lézerekről beszélünk, ezek csúcsteljesítménye több tíz petawatt (1 petawatt=1015 W). Ilyen tervezett nagyberendezés az ELI (Extreme Light Infrastructure), az európai kutatási infrastruktúrák stratégiai tervében[40] szereplő 44 kiemelkedő jelentőségű kutatási nagyberendezés projekt egyike. 2009-ben a cseh és a magyar, majd később a román ELI megbízottak közös cseh-magyar-román helyszínjavaslat kidolgozásában állapodtak meg.
Első fázisként az ELI nagy energiájú berendezéseit közös, egymást kiegészítő tudományos-technológiai programokban párhuzamosan fejlesztik. Ennek eredményeképp mindhárom helyszínen ma még nem létező nagy intenzitású (2-3*10–20 PW) lézereket tartalmazó rendszerek jönnek létre.
A 4.8.1.4. ábrán egy nagy teljesítményű lézer optikai elemének kezelése látható, a 4.8.1.5. ábra egy fantáziakép az ELI egyik nyalábmenetéről.
4.8.1.4. ábra
4.8.1.5. ábra
Minél nagyobb a lézernyaláb fajlagos (felületegységre eső) teljesítménysűrűsége, annál kritikusabb a nyalábút tisztasága. Nagyon nagy intenzitásoknál a teljes nyalábút hermetikus lezárása is indokolt.
Az ilyen nagy intenzitásoknál a nyalábútban elhelyezkedő optikai elemek méretezésénél, a hűtés rendszerének kialakításánál figyelembe kell venni az anyagban elnyelődő fény hővé alakulását. Meghatározható az a küszöbérték, amit az optikai elem még károsodás nélkül elvisel (damage threshold). A szennyeződéstől (pl. porszem) való teljes körű védelmet is biztosítani kell, így a teljes nyalábutat légmentesen el kell szigetelni a külső környezettől, és a szereléseket fokozottan nagy tisztaságú ún. tisztaszobában lehet csak elvégezni.
Egzotikus optikai anyagnak nevezzük azokat az optikai rendszerekben használt anyagokat, amelyek a klasszikus optikai anyagoktól eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek, így az infravörös tartományban használt ablakok, lencsék, a frekvenciatöbbszöröző kristályok stb. tartoznak ide.
A teljesség igénye nélkül felsorolunk néhány elterjedt anyagot:[41]
Cink-szelenid (ZnSe):
ZnSe lencsék, lézerablakok, nyalábtágítók gyakori alapanyaga, mivel viszonylag kicsi az abszorpciója az infravörös tartományban és átereszti a látható fényt is. Kémiailag stabil, nem higroszkopikus anyag, 300 mm-es átmérőjű és 25 mm vastag elemeket is gyártanak belőle. (4.8.2.1. ábra)
4.8.2.1. ábra
Cink-szulfid (ZnS) 8 és 12 mikrométer közötti hullámhossztartományban használják, elsősorban katonai célokra, mert a jóval drágább ZnSe-hez képest ellenállóbb a szennyezésekkel szemben. (4.8.2.2. ábra)
4.8.2.2. ábra
Germánium
Lencsék, ablakok alapanyaga, hátránya, hogy a látható tartományban nem átlátszó. Kisebb teljesítményű (100 W alatti) szén-dioxid-lézereknél használják az ún. hőlencsésedés és hőmegfutás miatt, amit megfelelő hűtéssel is kompenzálnak. Nem higroszkopikus anyag és igen kemény és ellenálló a felülete. (4.8.2.3. ábra)
4.8.2.3. ábra
Gallium-arzenid
A GaAs szintén félvezető anyag, és bár használják optikai hordozóként, de elsősorban a GaAs félvezető diódalézerek alapanyagaként ismert.
1. Kezelés
Az optikai elemek felületét általában nem szabad megérinteni. Szabad kézzel semmi esetre sem szabad hozzá érni. A legérzékenyebbek az optikai rácsok, tükrök, detektorok.
4.8.3.1. ábra
Célszerű cérnakesztyűben és szájmaszkban dolgozni.
Az optikai elemek nem érzékeny részeit kell megfogni.
2. Tisztítás
Az optikai felületek hagyományos eszközökkel általában nem tisztíthatók, viszont használatuk során valamilyen mértékben szennyeződnek. Tisztításukat a szennyezés mibenlététől függően kell elvégezni, az alábbi elvek figyelembevételével:
A tisztításhoz használt oldószer a szennyeződés anyagát kell, hogy oldja, de nem okozhat kémiai változást az optikai elem-, illetve annak bevonata anyagában.
Az oldószer felvitele a szennyezett felületre csak olyan módon történhet, hogy az ne okozzon mechanikai károsodást (karcolást, mattítást) az optikai elem felületén. (Nagytisztaságú, vákuumcsomagolt vatta a leginkább elfogadott törlőanyag.)
A tisztítandó felületet az oldószer felvitele előtt „konzerv” (nagytisztaságú) sűrített levegővel pormentesíteni kell, a vezetékes sűrített levegő olajtartalma miatt erre nem használható.
Az oldószerrel átitatott vattát úgy kell végighúzni a szennyezett felületen, hogy az csak a saját súlyánál fogva érje a felületet. Dörzsölni nem szabad.
A lágy áttörlést meg kell ismételni oldószer bő alkalmazásával, lehetőleg friss törlő vattát használva, ha még látható a szennyeződés.
A felület száradása után ismét ellenőrizni kell, hogy tiszta és foltmentes-e a megtisztított optikai elem.