Ugrás a tartalomhoz

Optika és látórendszerek

Sánta Imre (2012)

EDUTUS Főiskola

Lézeroptikák, Egzotikus optikai anyagok és kezelésük

Lézeroptikák, Egzotikus optikai anyagok és kezelésük

Lézeroptikák

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 anyagok

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.

Az optikai anyagok kezelése

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.