website is currently under development
NATIONAL METROLOGY INSTITUTE
LaTso Project
Evaluation and Standardization for Laser Damage Resistance of Aerospace Optics
Our project aims to determine and standardize the laser endurance threshold (LHED) of optical components used in systems established for space research at different wavelengths (1064 nm, 532 nm, 355 nm and 266nm).
The LaTSO project aims to observe the behavior of the optical component in space conditions by creating a kind of simulation of space conditions in a laboratory environment. The experimental stages of the LaTSO project are listed below.
-
Determination of LHED under Atmospheric Conditions
-
Determination of LHED under Vacuum Conditions
-
Determining the LHED of thermally conditioned optical components
-
Determination of LHED of optical components aged with UV light
Figure 1. Atmospheric environment LHED test rig established according to ISO 21254 2 Standard
Åžekil 2. UME Vakum ve atmosfer düzeneklerinden elde edilen S polarizasyon LHED grafikleri
​​​​​LatSO projesi kapsamında atmosferik ortam ve vakum ortamı LHED deÄŸerlerinin ışığın polarizasyonu ile deÄŸiÅŸimi incelenmiÅŸtir. Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics (SIOM) ve UME karşılaÅŸtırma çalışmaları gerçekleÅŸtirmiÅŸtir. SIOM vakum ve atmosferik ortam LHED düzeneklerinden elde edilen hasar olasılık grafiklerin incelendiÄŸinde, optik bileÅŸenlerin hasar olasılıkları atmosferik ortamda, vakum ortamında göre daha dağınık bir davranış sergilemiÅŸtir ve bu durum S polarizasyon testleri için daha belirgindir.
​
Işığın polarizasyonuna göre incelendiÄŸinde SIOM’un vakum ortamı LHED düzeneÄŸinden UME ile aynı sonuç elde edilmiÅŸ olup vakum ortamında 355 nm dalga boyunda lazerin S ve P polarizasyonlarının optik bileÅŸenin LHED deÄŸerini deÄŸiÅŸtirmediÄŸi gözlemlenmiÅŸtir.
​
Farklı örnek yüzeyi deÄŸiÅŸkenini elimine etmek için karşılaÅŸtırma ölçümleri aynı örnek yüzeyinin farklı kısımlarında gerçekleÅŸtirilmiÅŸtir. Her bir test türünden üç defa ölçüm alınarak tekrarlanabilirlik ölçümleri gerçekleÅŸtirilmiÅŸtir.
​
Åžekil 3. UME Vakum-LHED düzeneÄŸinden 355 nm S polarizasyonda elde edilen hasar morfolojileri. (a) ve (b) 10.6 J/cm2 Fluence deÄŸerinde DIC mikroskobu ile alınan görüntüler. (c) ve (d) aynı hasar noktalarının SEM ile alınan görüntüleri
​​​​​​​​
​Birbirine yakın akı deÄŸerlerinde S polarizasyondaki hasar morfolojileri hem atmosfer hem de vakum ortamında P polarizasyondaki hasar morfolojilerine göre daha yüzeysel kaldığı görülmektedir​​
​
Åžekil 4. UME Vakum-LHED düzeneÄŸinden 355 nm P polarizasyonda elde edilen hasar morfolojileri. (a) ve (b) 8.6 J/cm2 Fluence deÄŸerinde DIC mikroskobu ile alınan görüntüler. (c) ve (d) aynı hasar noktalarının SEM ile alınan görüntüleri
Åžekil 5. 532 nm polarizörlerde S ve P polarizasyondaki çoklu lazer darbeleri ile oluÅŸturulan hasarlar: (a-b) geniÅŸleyen hasar çukurları, (c-d) nodüler atım çukurları, (e-f) midye hasar çukurları ve (g-h) düz tabanlı hasar çukurları
Test metodları karşılaÅŸtırması sonucunda hasar oluÅŸum sürecinin polarizasyonla iliÅŸkisi bakımından belli bulgular ortaya çıkmıştır. BaÅŸlangıçtaki hasar morfolojileri polarizasyon durumuna baÄŸlı olup elektrik alanın kaplamadaki dağılımı ile iliÅŸkilidir. S polarizasyonda, baÅŸlangıçtaki hasar nodüler atım çukuru ÅŸeklindedir. 532 nm polarizörlerin nodüler kusurları, S-polarize lazerle tetiklendiÄŸinde, daha yüksek akılarda bile tamamen dışarı atılamamaktadır. Hasar görmemiÅŸ nodüler tohumlar incelendiÄŸinde, parçacık tohumlarının, alttaÅŸa yakın, alt katman olarak da adlandırılan, ilk SiOâ‚‚ katmanında yerleÅŸik ve gömülü olduÄŸu gözlemlenmiÅŸtir. Tohumun alt kısmı, alt katmana sıkı bir ÅŸekilde baÄŸlanmıştır.
Hasar baÅŸlangıcını anlamak için, elektrik alan dağılımları sonlu elemanlar yöntemi (FEM) kullanılarak simüle edilmiÅŸtir. 80 μm geniÅŸliÄŸinde ve 10 μm yüksekliÄŸinde 2B bir simülasyon alanı kullanılmış, x yönünde periyodik sınır koÅŸulları uygulanarak ve y yönünde katman sınır koÅŸulları kullanılarak periyodik sınır koÅŸullarından kaynaklanan geri yansımalar azaltılmıştır. Ä°nce film katman düzeni gerçek kaplamalarla tutarlı tutulmuÅŸtur; HfOâ‚‚ katmanlarının kırılma indisi nH = 1.92, SiOâ‚‚ katmanlarının ve kaynaÅŸtırılmış silika alttaÅŸlarının kırılma indisi ise nL = 1.45'tir. Nodüler tohumun boyutu, gözlemlenen boyutlarla uyumlu olup 200 nm uzun eksenli ve 150 nm kısa eksenli eliptik bir ÅŸekle sahiptir. 532 nm dalga boyuna ve 56° geliÅŸ açısına (AOI) sahip S-polarize lazer ile uyarılmıştır. Nodülün saÄŸ üst tarafındaki HfOâ‚‚ katmanlarında güçlü bir elektrik alan ÅŸiddeti (EFI) bulunmaktadır. Bu durum termal stres oluÅŸturur ve hasar baÅŸlangıcı daha olası hale gelir. Teorik sonuç deneyle uyumlu çıkmıştır; hasar baÅŸlangıcı nodülün saÄŸ tarafında olup bu tarafta daha ÅŸiddetlidir. Alt katmana gömülü nodüler tohumlar kaplamalarla sıkı baÄŸlar yaptıkları için saÄŸ taraftaki termal stres tarafından tamamen dışarı atılamamıştır.
P polarizasyonda, midye hasar çukurları öne çıkmaktadır. Bu hasar çukurları ilk olarak, KaynaÅŸtırılmış silikanın 355 nm dalgaboyundaki lazer hasarında gözlemlenmiÅŸ ve tipik hasar morfolojilerinden biri olarak kabul edilmiÅŸtir. Ayrıca, kaynaÅŸtırılmış silika lazer hasarı genellikle parlatma (polishing) sürecinde ortaya çıkan yüzey altı kusurlar (kalıntı mikro-inklüzyonlar ve mikro-çatlaklar gibi) nedeniyle meydana gelir. 532 nm polarizörlerde bulunan midye hasar çukurlarının da kaynaÅŸtırılmış silikadaki kusurlardan kaynaklandığını varsaymak mantıklıdır; bu durumda kaynaÅŸtırılmış silikanın hasar davranışı ince filmde de görülmüÅŸtür.
KaynaÅŸtırılmış silika alttaÅŸlarının yüzey altı kusurları, 1064 nm dalgaboyuna kıyasla kısa dalga boylu bir lazer tarafından daha kolay uyarılma eÄŸilimindedir. P polarizasyondaki tabanı pürüzsüz düz tabanlı çukurlar, alttaÅŸ ve kaplama arayüzündeki kusurlara atfedilebilir. Her iki hasar çukuru da alttaÅŸa zarar vermiÅŸ ve kaynaÅŸtırılmış silikada aÅŸağı doÄŸru çatlakların oluÅŸmasına neden olmuÅŸtur. S- ve P-polarize ışığın kaplamaların farklı derinliklerindeki elektrik alan ÅŸiddeti dağılımlarındaki farklılıklar nedeniyle alttaşın yüzey altındaki kusurlar, P-polarize ışık tarafından daha kolay uyarılırken film katmanlarındaki nodüler kusurlar S-polarize ışık tarafından daha kolay uyarılmış ve bu da polarizasyona baÄŸlı hasar morfolojilerine yol açmıştır. Bu nedenle, 532 nm ince film polarizörlerini farklı optik iÅŸlevler için kullanırken, parlatma ve kaplama sürecinde kusurların kolayca ortaya çıkabileceÄŸi bölgelerdeki EFI'yi optimize ederek azaltmaya özen gösterilmelidir.
Åžekil 6. UME'nin atmosfer ve vakum ortamı LHED düzeneklerinden 355 nm S polarize lazer ile elde edilen hasar olasılık grafikleri.
Åžekil 7. UME'nin atmosfer ve vakum ortamı LHED düzeneklerinden 355 nm P polarize lazer ile elde edilen hasar olasılık grafikleri.