MESSUNG LASERINDUZIERTER ZERSTÖRWELLEN Lars Jensen Spectaris-Wissensraum Qualitätssicherung von Hochleistungslaseroptiken Laser Zentrum Hannover, Germany 26. März 2015 HOCHLEISTUNGSOPTIKEN Moderne laserbasierte Bearbeitungsprozesse fordern steigende Laserleistungen und Strahlführungsysteme höchster Qualität Entscheidender Entwicklungsprozess an den optischen Komponenten und Beschichtungen – Mehr Ausgangsleistung weniger Verluste – Mehr Pulsenergie Höhere Zerstörschwelle – Längere Arbeitszyklen hohe Lebensdauer Messverfahren zur Qualitätssicherung 2 Messung laserinduzierter Zerstörwellen INHALT Relevante Laserparameter Pulsdauer / Betriebsmodus Spektralbereich Auswahl des Messprotokolls Anwendungsorientiertes Messen ISO 21254 und andere Messen gemäß ISO Standard Zerstörwahrscheinlichkeit Charakteristische Zerstörkurve Wie sind Messergebnisse zu lesen 3 Messung laserinduzierter Zerstörwellen ZERSTÖRSCHWELLE - PULSDAUER LIDT als Funktion der Pulsdauer cw – lange Pulse (µs) kontinuierliche Erwärmung durch Absorption – thermische Ausdehnung – Materialmodifikation – Einkopplung von Leistung Durchbruch kurze Pulse (ns - >10ps) lokale drastische Erwärmung an Defekten – schlechte Wärmeanbindung – lokale Plasmabildung – stressbedingter Durchbruch elektronische Anregung von Elektronen ins Leitungsband ultrakurze Pulse (<10ps – fs) – Startprozess: Mehrphotonenabsorption – Kaskaden und –Tunnelionisation bevölkern das Leitungsband – Durchbruch oberhalb einer krit. Elektronendichte 4 Messung laserinduzierter Zerstörwellen EINSCHLUSSINDUZIERTE ZERSTÖRUNG (KURZE PULSE) Höhere Intensitäten auf Grund von gepulster Laserstrahlung Lokale Absorption – Partikel – Lokale Unterstöchiometrien – Fehlstellen, Risse, Schichtübergänge – …lokale höhere Absorption Optische Materialien weisen i.d.R. schlechte Wärmeleitung auf Starker Temperaturgradient am Absorptionszentrum Extrem hohe lokale Temperaturen (oberhalb der Schmelztemperatur von Quarz) – Plasmabildung – Stressbedingter Durchbruch in der Schicht 5 Messung laserinduzierter Zerstörwellen ZERSTÖRSCHWELLE ALS FUNKTION DES TESTSTRAHLDURCHMESSERS (KURZE PULSE) Experiment: Defektinduzierte Natur vom NIR bis UV untersuchen Probensatz: – Eine Materialkombination für 4 Wellenlängen SiO2/HfO2 (Effekt ist bekannt, Skalierung bis ins UV ist Gegenstand der Untersuchung) – Aus einer Beschichtungsanlage identische prozessspezifische Defekte Messprozedur: – Standard Messung nach ISO 21254-2 – Rep.-Rate:100Hz, Wellenlänge: 1064nm, 532nm, 355nm, 266nm Pulsdauer: 11ns 8ns 6ns 5ns Pulsanzahl: 10.000 6 Messung laserinduzierter Zerstörwellen Zerstörschwelle – HR-Spiegel kein Substrateinfluss xx x x x x x x Strahldurchmesser KRITISCHE TESTSTRAHLDURCHMESSER 2%-LIDT 10.000 2% LIDT 10.000 PulsePulse ZkF ZkF Energiedichte [J/cm²] 1000 100 10 1 1064nm 355nm 266nm 532nm 0,1 0 50 100 150 200 250 Strahldurchmesser [µm] 7 Messung laserinduzierter Zerstörwellen 300 350 350 STRAHLDURCHMESSER DEFEKTDICHTE 1064 532 krit. Strahlgröße[µm] Defektdichte emp. [1/cm²] 150 5.700 120 8.800 2% LIDT 10.000 Pulse ZkF 1000 Energiedichte [J/cm²] Wellenlänge [nm] 100 10 1 355 100 12.700 532nm 0,1 0 50 100 150 200 250 Strahldurchmesser [µm] 266 <34 110.000 Morphologievergleich: Ähnliche Strukturen bei beiden UV Wellenlängen Eindeutig ein einschlussinduzierter Zerstörvorgang 8 Messung laserinduzierter Zerstörwellen l=355nm l=266nm 300 350 ELEKTRONISCHE ZERSTÖRUNG (ULTRAKURZE PULSE) Freie Elektronen im Leitungsband werden durch die Absorption von Photonen geheizt (Mehrphotonenabsorption) Stoß- und Avalancheionisation erhöhen die freien Ladungsträger signifikant Bandlücke Oberhalb von 1021 1/cm³ kommt es zum optischen Durchbruch 9 Höhere Photonenenergie Messung laserinduzierter Zerstörwellen Ratengleichung ne(t): ne mW (qm I (t ) m ) ne (t ) I (t ) ne (t ) t Material: synthetisches Quarzglas ZERSTÖRSCHWELLE ALS FUNKTION DER BANDLÜCKE (ULTRAKURZE PULSE) Bandlücke und Intensität bestimmen Zerstörschwelle: Größere Bandlücke höhere Ordnung der MPA notwendig Höhere Intensität höhere Wahrscheinlichkeit für MPA hoher Ordnung Mero et al. Phys.Rev.B 51 (2005) Feldstärkeverteilung im Schichtstapel trägt bei! 35fs 100fs 200fs 500fs 1.1ps 4,5 2 Damage fluence (J/cm ) 5,0 Fth (c1 E gap c2 ) p |F| 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 SiO2/HfO2 Mischungen 0,5 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 Band gap (eV) Mero et.al PHYS. REV. B 71, 115109 (2005) Jensen, Mende, Nguyen et al. SPIE 7842 (2010) 10 Messung laserinduzierter Zerstörwellen INHALT Relevante Laserparameter Pulsdauer / Betriebsmodus Spektralbereich Auswahl des Messprotokolls Anwendungsorientiertes Messen ISO 21254 und andere Messen gemäß ISO Standard Zerstörwahrscheinlichkeit Charakteristische Zerstörkurve Wie sind Messergebnisse zu lesen 11 Messung laserinduzierter Zerstörwellen MESSPROTOKOLLE Akademische Großlaser – Wenige Pulse – Sehr große Optiken – Sehr teure Optiken Weltraumanwendungen – Viele Pulse – Normale bis sehr kleine Optiken – Kein Service möglich Lasersysteme – Höchste Anforderungen – Austauschbare Komponenten 12 Messung laserinduzierter Zerstörwellen www.rsta.royalsocietypublishing.org https://www.flickr.com/photos/llnl/3421933297/ MÖGLICHE VORGEHENSWEISEN Einzelne Defekte in der Optik finden Flächendeckend die Prüfoberfläche mit einem Laserstrahl abrastern (Rasterscan) – Großer bis vollständiger Flächenanteil – Geringe Pulsanzahl – Messergebnis muss den Schwellwert nicht enthalten (nur mehrfacher Wiederholung der Prozedur) Detektion der Zerstörschwelle Statistisch verteilte Prüfpositionen mit variierter Energiedichte beaufschlagen – Geringer Flächenanteil (ca. 1-2%) – Beliebige Pulsanzahl – Ergebnis: Schwellwert als Funktion der Pulsanzahl Lebensdauer prüfen Evtl. nur 1 Position mit X Pulsen und gesetzter Energiedichte beaufschlagen – Qualifizierung mit geringer Statistik – Kein Schwellwert 13 Messung laserinduzierter Zerstörwellen DETEKTION DER ZERSTÖRSCHWELLE 1 on 1 (Einzelschuss) 1 Puls pro Messposition mit variierender Energiedichte S on 1 (Mehrpulsverhalten) S Pulse mit konstanter Energiedichte auf einer Position Variierte Energiedichte auf vielen Testpositionen Gewisse Probengröße notwendig R on 1 (geringe Probengröße) Kontinuierlich erhöhte Energiedichte auf jeder Messposition Bestimmung der Zerstörschwelle an einer Messpositon möglich (theoretisch) Konditionierungseffekt muss berücksichtigt werden N on 1 (Sonderfall von R on 1) Wie R on 1, aber in Stufen: N Pulse bei konstanter Energiedichte bevor zum nächsten Wert erhöht wird 14 Messung laserinduzierter Zerstörwellen S ON 1 GEGENÜBER RASTERSCAN S on 1 Messung (ISO 21254) Rasterscan ca. 160 Testpositionen auf einer Probe (25mm) ca. 2400 Testpositionen auf 10×10mm² Testfläche (inkl. Überlapp) S Pulse pro Position 1 Puls pro Position Ergebnis: Zerstörwahrscheinlichkeit Zählt Zerstörungen und gibt keine Zerstörwahrscheinlichkeit Laser Beam Entnommen vom Vortrag von C.Stolz zur SPIE Laser Damage 2010 15 Messung laserinduzierter Zerstörwellen INHALT Relevante Laserparameter Pulsdauer / Betriebsmodus Spektralbereich Auswahl des Messprotokolls Anwendungsorientiertes Messen ISO 21254 und andere Messen gemäß ISO Standard Zerstörwahrscheinlichkeit Charakteristische Zerstörkurve Wie sind Messergebnisse zu lesen 16 Messung laserinduzierter Zerstörwellen 1-ON-1 EINZELPULSMESSUNG Schritte einer LIDT-Messung: 0 Kalibration Laserparameter 1 Wiederholung mind. 10- mal: - frischer Punkt in den Strahl - Beaufschlagung feste Energie 2 Wahl eines neuen Energiewertes und Wiederholung von Schritt 1 Wiederholung Schritte 1 und 2 Für Energiewerte, die Bereiche mit / ohne Zerstörung abdecken bis Probenfläche erschöpft Al-Spiegel, Ø25mm Nd:YAG-Laser, TEM00 15ns; Strahl-Ø 250µm 3 Inspektion der Proben mit Nomarski-Mikroskopie und Zusammenstellung 4 17 eines Datensatzes: (Energie Hk, Zerstörungszustand: D, ND) Auswertung: Zerstörwahrscheinlichkeit als Funktion der Energie: „Überlebenskurve“, Bestimmung der Zerstörschwelle Messung laserinduzierter Zerstörwellen 1-ON-1 AUSWERTUNG Schritte für die Auswertung: 1,0 1/e2 = 1.44 mm 1 Berechnung der Zerstör- P D ND N D N ND 2 Wiederholung Step 1 für alle gewählten Energiewerte Damage probability wahrscheinlichkeit P für ausgewählte Energiewerte: 0,8 0,6 0,4 „Überlebenskurve“ 1 on 1, TEA-CO2-Laser = 100 ns peak, 4.5µs tail KBr-Fenster, 50St, 500Pos. 0,2 0,0 0 3 Auftragen PD(Hk) im linearen 4 100 200 300 400 500 Energy [mJ] Koordinatensystem LIDT = höchste Energiedichte mit 0% Zerstörwahrscheinlichkeit lineare Extrapolation der „survival curve“ auf 0% Wahrscheinlichkeit Protokoll: Information zu Testlabor, Proben und Messaufbau, Fehlerbudget, Überlebenskurve, ausgewählte Nomarski Aufnahmen 18 Messung laserinduzierter Zerstörwellen 600 700 ÜBERGANGSBEREICH IN ÜBERLEBENSKURVE Pulsdauer: 11ns - Wellenlänge: 1064nm Pulsdauer: 180fs - Wellenlänge: 780nm Schmale und breite Bereiche mit zerstörten und nicht-zerstörten Testpositionen möglich Zur Beschreibung sind evtl. komplexe Modelle notwendig (Gegenstand aktueller Arbeiten) 19 Messung laserinduzierter Zerstörwellen S-ON-1 MEHRPULSMESSUNG Überlebenskurven Char. Zerstörkurve Signal [V] 1,2 1,0 0,8 Scatter Energy 0,1 0,0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Pulse number 20 Messung laserinduzierter Zerstörwellen 7000 S-ON-1 AUSWERTUNG Charakteristische Zerstörkurve logarithmisches Diagramm: Energiedichte für eine bestimmte Zerstörwahrscheinlichkeit als Funktion der Pulsanzahl N Lebensdauer einer Komponente: Extrapolation charakteristische Zerstörkurve für N H th ( N ) H th, 21 H th,1 H th, d 1 1 log 10 ( N ) Messung laserinduzierter Zerstörwellen ZERSTÖRMORPHOLOGIEN 22 Messung laserinduzierter Zerstörwellen ZUSAMMENFASSUNG Zerstörmechanismen – Als Funktion der Pulsdauer – Als Funktion der Wellenlänge – Relevante Messparameter: Messprotokoll an die Anwendung anpassen – Mehrpuls vs Einzelpulsverfahren – Flächendeckende Abrasterung – Zerstörschwellenmessung gemäß ISO 21254 Messdatenaufnahme und Auswertung gemäß ISO 21254 – Zerstörwahrscheinlichkeit – Charakteristische Zerstörkurve 23 Messung laserinduzierter Zerstörwellen
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