УФ-оптика: жесткие допуски и материалы
Основная проблема, связанная с производством оптики для ультрафиолетового (УФ) излучения, заключается в том, что допуски на поверхность должны быть намного более жесткими, чем допуски для оптики видимого и инфракрасного диапазонов. Стандартный допуск неоднородности P-V для прецизионных линз составляет λ/10, поэтому физическая точность, необходимая при производстве, зависит от длины волны, на которой будет использоваться оптика. Поскольку допуски указаны для фиксированной длины волны 632.8 нм, λ/10 означает 63.28 нм независимо от конструкционной длины волны.
Относительные характеристики будут хуже при коротких длинах волн УФ-излучения. Например, линза, используемая на 308 нм, потребует допуска неоднородности, вдвое более жесткого, чем линза, используемая на 632.8 нм, чтобы поддерживать тот же относительный уровень искажения волнового фронта. Тот же принцип применим и к оптическим покрытиям. Толщина простых покрытий обычно составляет четверть или половину длины волны. Для УФ-покрытий процесс нанесения требует более точного контроля; небольшие колебания в производстве приводят к гораздо большим ошибкам в УФ-диапазоне, чем в видимом или ИК-спектрах.
Производство УФ-оптики
Короткие волны ультрафиолетового излучения обычно поглощают и рассеивают намного больше, чем видимое или инфракрасное излучение. Неровности поверхности, такие как царапины и ямки, увеличивают свое влияние под воздействием УФ-излучения, и даже самые мелкие дефекты поверхности могут стать точками поглощения или рассеивания, снижая производительность системы. Чтобы свести к минимуму потери энергии, требуются точные спецификации качества поверхности. В то время как стандартное качество поверхности для прецизионных линз, используемых в видимом диапазоне, составляет 40-20, для УФ-применений может потребоваться качество поверхности 10-5. Рассеяние может привести к потере энергии, снижению эффективности оптической системы и даже ложным сигналам в приложениях, использующих датчики изображения или другие детекторы. УФ-материалы обладают большей дисперсией, чем видимые или ИК-материалы, что приводит к значительной аберрации в широкополосных УФ-приложениях. Чтобы избежать этого, многие УФ-оптические системы используют отражающую оптику, чтобы избежать рассеивания внутри сыпучего материала.
Оптические подложки и покрытия
Поглощение и рассеяние не только приводят к снижению пропускной способности, но также могут привести к повреждению и отказу компонентов. Слишком сильное поглощение УФ-излучения может привести к обесцвечиванию подложки и изменению ее химических свойств, что приведет к поломке компонентов. Чтобы предотвратить это, УФ-подложки должны полностью пропускать весь требуемый диапазон длин волн и быть отполированы почти до совершенства. Некоторые из наиболее распространенных подложек, пропускающих УФ-лучи, включают плавленый кварц, фторид кальция (CaF2) и сапфир. УФ-плавленый кварц является наиболее часто используемой подложкой для УФ-излучения из-за его доступности и простоты изготовления по сравнению со многими другими материалами, пропускающими УФ-излучение. УФ-плавленый кварц также пропускает волны до 193 нм и обеспечивает низкий коэффициент теплового расширения. Фторид кальция имеет низкий показатель преломления, низкое осевое и радиальное двулучепреломление и пропускает длины волн до 180 нм, что делает его пригодным для применения в УФ-эксимерных лазерах. Сапфир идеально подходит для использования в суровых условиях из-за его чрезвычайной твердости поверхности, высокой теплопроводности, высокой диэлектрической проницаемости и сильной устойчивости к различным химическим кислотам и щелочам. Обладая исключительной устойчивостью к УФ-потемнению, высококачественный сапфир часто используется в мощных УФ-приложениях, а некоторые типы оптического сапфира пропускают до 150 нм. Двулучепреломление – это один из недостатков сапфира, но при правильной огранке кристалла по оси С двулучепреломление сводится к минимуму.
Поглощение ультрафиолетового излучения также может привести к обесцвечиванию и повреждению оптических покрытий, а не только основного материала. Из-за этого необходимы разные материалы покрытия как для пропускающей, так и для отражающей оптики, работающей в УФ-спектре. Зеркальные покрытия для глубокого УФ-излучения также особенно чувствительны к небольшим ошибкам толщины покрытия, поскольку ограничения материала в УФ-диапазоне создают относительно узкополосные отражатели.
Многофотонное поглощение
Излучение проходит через пропускающую оптику, но не поглощается, когда оно имеет энергию, меньшую, чем энергия запрещенной зоны подложки, и не может возбуждать электроны из валентной зоны материала в зону проводимости. Многофотонное поглощение происходит, когда два или более фотонов спонтанно поглощаются, чтобы возбудить электрон в зону проводимости, в результате чего излучение, которое обычно проходит через оптику, поглощается. УФ-излучение имеет больше энергии, чем видимое и ИК-излучение, потому что энергия обратно пропорциональна длине волны. Многофотонное поглощение может стать значительным в УФ-диапазоне и при высоких оптических интенсивностях, увеличивая поглощение и запуская процесс неуправляемого излучения, который в конечном итоге приведет к повреждению оптики. Однофотонное поглощение линейно зависит от интенсивности падающего излучения, но многофотонное поглощение зависит от квадрата интенсивности и будет преобладать над линейным поглощением при высоких интенсивностях. Материалы с высоким показателем преломления особенно чувствительны к многофотонному поглощению, потому что они имеют небольшую ширину запрещенной зоны.
Многофотонное поглощение, возбуждающее электрон в зоне проводимости
