Kontamination auf Laserkomponenten
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- Hansl Schmitz
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1 Kontamination auf Laserkomponenten Wolfgang Riede*, Helmut Schröder, Markus Hippler Institut für Technische Physik, DLR Stuttgart SPECTARIS-Wissensraumseminar: "Qualitätssicherung von Hochleistungslaseroptiken , Wetzlar *Kontakt: Tel:
2 Inhalt Einleitung Messtechnik / Testverfahren Einflussgrößen Vermeidung von Ablagerungen Zusammenfassung
3 Motivation: Geplante ESA Missionen LEO (405 km) Atmospheric Dynamic Mission (ADM) Aeolus Globale Vermessung von 3-dim. Windgeschwindigkeiten Start in 2015 Geplante Betriebsdauer: 3 Jahre, Pulse Laser: ALADIN (Atmospheric Laser Doppler Instrument) Specs: 50 Hz, ~ nm, THG -> LBO LEO (425 km) EarthCARE Globale Vermessung von vertikalen Profilen von Aerosolen Start: > 2016 Geplante Betriebsdauer: 3 Jahre Laser : ATLID (Atmospheric LIDAR) Specs: 51 Hz, > nm, THG -> LBO
4 Qualifizierung von Laseroptiken für Weltraumanwendungen Zerstörschwellenmessungen im Vakuum Untersuchung nichtlinearer Kristalle Laserinduzierte (molekulare) Kontamination (LIC) Vibrationstests montierter Komponenten Hochenergiebestrahlung (p + / ) Thermische Tests
5 Laserinduzierte (molekulare) Kontamination Definition Ablagerung auf der Oberfläche einer Optik aufgrund der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl, Oberfläche und ausgasender Agenzien (ECSS Standard ECSS-Q-70-01A ) Betroffene Anwendungen Evakuierte / bedruckte, geschlossene Lasersysteme (Weltraumanwendung) UV Lithographie Ultrakurzpulslaser Risiken Transmissionsabnahme Reduktion der Lebensdauer Systemausfall
6 Relevante Standards ECSS-Q-70-01A: Cleanliness and contamination control Recovered Mass Loss RML < 1 % / Collected Volatile Condensable Material CVCM < 0,10 %...for applications around sensitive items (e.g. optics and detectors) more stringent values should be used (bakes on the relevant hardware) NASA-STD-(I)-6016: Standard materials and processes requirements for spacecraft Materials that are line of sight to contamination sensitive surfaces.. shall have a 0.01 percent CVCM (windows, lenses,.. and other surfaces with highly controlled optical properties) -> derzeit: keine standardisierte Testmethode für LIC! -> empfohlene Limits (CVCM / RML) sind zu hoch -> Testprozeduren entwickelt mit ESA / ESTEC
7 Testkammer / Aufbau DIC FM FM FM 3 parallele Messkanäle (Proben) 1 Referenzkanal (Effekt der Kammerfenster) Konstanter Fluss an Kontaminationsmaterial
8 Testkammer / Aufbau
9 Kontaminationsmaterialien Toluol Naphthalin Anthracen C 7 H 8 C 10 H 8 C 14 H 10 Referenzmaterialien (hohe Reinheit, Verfügbarkeit) Weitere Materialien mit Anwendungsrelevanz: CV 2566, Solithane, A12 Epoxy etc
10 Testprozedur 1. Vakuum Ausheizen 24 Stunden, 180 C, dynamisches Abpumpen 2. Blank Test Laserbetrieb ohne Kontaminationsmaterial Ziel: Keine Ablagerung 3. Kontaminationstest Laserbetrieb mit Kontaminationsmaterial online Überwachung der Fluoreszenz / Transmission der Laseroptik Inspektion der Testoptiken
11 In-Situ LIF Imaging: Aufbau Edge filter
12 In-Situ Fluoreszenzmessung 1 min 1 min Gepulste UV Bestrahlung cw UV Bestrahlung 355 nm, 2.5 J / cm nm UV Diode, 1.3 x 10 2 W/cm 2
13 In-Situ Fluoreszenzmessung 5 min 5 min Gepulste UV Bestrahlung cw UV Bestrahlung 355 nm, 2.5 J / cm nm UV Diode, 1.3 x 10 2 W/cm 2
14 In-Situ Fluoreszenzmessung 10 min 10 min Gepulste UV Bestrahlung cw UV Bestrahlung 355 nm, 2.5 J / cm nm UV Diode, 1.3 x 10 2 W/cm 2
15 In-Situ Fluoreszenzmessung 25 min 25 min Gepulste UV Bestrahlung cw UV Bestrahlung 355 nm, 2.5 J / cm nm UV Diode, 1.3 x 10 2 W/cm 2
16 In-Situ Fluoreszenzmessung 50 min 50 min Gepulste UV Bestrahlung cw UV Bestrahlung 355 nm, 2.5 J / cm nm UV Diode, 1.3 x 10 2 W/cm 2
17 In-Situ Fluoreszenzmessung 60 min 60 min Gepulste UV Bestrahlung cw UV Bestrahlung 355 nm, 2.5 J / cm nm UV Diode, 1.3 x 10 2 W/cm 2
18 Vergleich in-situ LIF / ex-situ Interferometrie Temperatur: 100 C Kontaminant: A12 epoxy Wellenlänge: 355 nm Zygo Interferometrie LIF Gute Korrelation (Abschätzung der Ablagerungsdicke) Sensitivität der Fluoreszenzmessung: wenige Nanometer Ablagerungsdicke
19 Auswirkung der Energiedichte Pancake Doughnut 0.08 J/cm² 0.5 J/cm² 1 J/cm² 200 µm 200 µm 200 µm Ablationsschwelle! 0.1 J/cm² CV 2566 (Silicon basierter Klebstoff) 355 nm, 40 C, 10 Mio. Pulse
20 Coating und Oberflächeneffekte Ablagerungsprofile (MgF 2 und SiO 2, e-beam Coatings) Oberflächenrauigkeit der Substrate
21 Reflektionsverluste Umlenkspiegel 1.0 Normalized reflection MS 364mJ/cm² EBD 282mJ/cm² IBS 324 mj/cm² Testbedingungen: Naphthalin: 1.5x10-4 mbar Rep.-Rate: 1000 Hz 3x10 6 Pulse EBD: E-beam Deposition MS: Magnetron Sputtering IBS: Ion Beam Sputtering Time [min]
22 Reflektionsverluste Umlenkspiegel 1.0 Normalized reflection MS 524 mj/cm² EBD 466 mj/cm² IBS 540 mj/cm² Testbedingungen: Naphthalin: 1.5x10-4 mbar Rep.-Rate: 1000 Hz 3x10 6 Pulse EBD: E-beam Deposition MS: Magnetron Sputtering IBS: Ion Beam Sputtering Time [min]
23 Reflektionsverluste Umlenkspiegel 1.0 Normalized reflection MS 709 mj/cm² EBD 826 mj/cm² IBS 714 mj/cm² Testbedingungen: Naphthalin: 1.5x10-4 mbar Rep.-Rate: 1000 Hz 3x10 6 Pulse EBD: E-beam Deposition MS: Magnetron Sputtering IBS: Ion Beam Sputtering Time [min]
24 Umgebungseffekte Auswirkung von Wasserdampf Auswirkung der Umgebungstemperatur
25 Wellenlängeneffekte 1064 nm 355 nm CV 1152 (Silicone) T = 40 C T = 100 C Solithane 113 (Polyurethane) T = 40 C A12 (Epoxy) T = 100 C no deposit no deposit no deposit no deposit 30 nm > 1000 nm 10 nm > 50 nm Identische Testbedingungen (1 J/cm², 5 Mio. Pulse) Stärkere Ablagerung im UV
26 Kontamination unter Laborluft Ablagerung im Vergleich zum Laserstrahlprofil 2 dim contour plot of deposit Parameter: 355 nm / 10 ns / 3.1 J/cm² 230 Mio. Pulse Ablagerung entsteht unter Laborluft / Silikone
27 Vermeidung von Ablagerungen (Sauerstoffatmosphäre) 5 Pa O 2 5 Pa 10 Pa O 2 10 Pa 20 Pa O 2 20 Pa Variabler Sauerstoff Partialdruck >20 Pa O 2 25 Pa
28 Vermeidung von Ablagerungen (Sauerstoffatmosphäre) Korrekte Wahl des O 2 Partialdruckes notwendig
29 Optische Schädigung durch Kontamination Testbedingungen: HR 45, EBD Naphthalin Partialdruck: 3x10-5 mbar Energiedichte: 400 mj/cm² Rep. Rate: 1000 Hz
30 Vergleich HR-AR Optiken (EBD) mj/cm², 1kHz, 10-4 mbar Naphthalin Kontamination Kontamination + Schädigung HR nm AR nm
31 Zusammenfassung Laser-induzierte Kontamination ist ein Risiko für den Langzeitbetrieb von UV-Lasern Geringer Partialdruck von Sauerstoff (20-25 Pa) verhindert Ablagerungen Die mit der Kontamination verbundene Schädigung der Komponenten liegt ~ 1-2 Größenordnungen unterhalb der eigentlichen Zerstörschwelle Vermeidung durch niedrige Energiedichten
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