Høyeffektlasere har blitt et standard og allestedsnærværende verktøy i mange industrielle applikasjoner, delvis på grunn av den nøyaktig kontrollerte energien de gir. Men "høy makt" kan være et vanskelig begrep å analysere, og krever ofte en viss kontekst å definere.
Laserapplikasjoner er til begrenset hjelp når det gjelder å bestemme terskler for høy effekt, ettersom laserparametere kan variere fra en 10-wattstråle i en 3D-skriver til en 100-kilowattstråle generert av en satellittlaser. Hva som utgjør rik funksjonalitet for en applikasjon er nesten aldri dokumentert i en annen. Når det brukes på lasere med forskjellige bølgelengder, når man sammenligner kontinuerlig bølge og pulset drift, og selv når man sammenligner faststoff-, gass- eller dopede krystallkilder, blir "høy effekt" et relativt begrep.
Den samme strålen som kan trenge gjennom stål eller kan videresende telekomsignaler over lange avstander, kan også forårsake alvorlig skade på de sensitive optiske komponentene som leder og former lys innenfor rammen av et lasersystem. "Du må kontrollere hver minste lille detalj, ellers vil de små detaljene være der skaden starter - og det neste du vet, har du brent opp en halv million dollar i komponenter," sier Tim McComb, leder for global forretningsutvikling hos Sammenhengende.
Kvalitetskontroll
Et stort antall optiske komponenter er nødvendig for å sikre at laserstrålen oppnår ønsket form, størrelse og intensitet. I tillegg til linsene som brukes til å fokusere og kollimere strålen, inneholder lasersystemer vanligvis speil, polarisatorer og stråledelere. Hver av disse komponentene må være presisjonsprodusert og maskinert, og deretter behandlet med spesialiserte belegg for å sikre at sluttproduktet har riktige egenskaper for lysabsorpsjon, transmisjon og refleksjon. Uten nøye overvåking gir hvert trinn av fabrikasjon, polering, belegg og testing rikelig med muligheter for defekter eller feil som kan føre til systemfeil.
En komponent kan ha defekte områder som i hovedsak skaper svake ledd i hele den optiske sammenstillingen. Fordi defekten absorberer energi som skal overføres eller reflekteres, kan den eventuelle feilen i den komponenten forplante seg til resten av systemet, sier Matthew Dabney, rektor laseringeniør ved Altamont Optics.
Laserens blending kan også forårsake problemer gjennom termisk indusert deformasjon av optikken. Selv om disse effektene ikke umiddelbart ødelegger den berørte optikken, kan de forårsake endringer i brytningsindeksen til materialet, noe som kan resultere i forvrengt eller suboptimal laserutgang. Som et resultat må laserprodusenter være klar over en rekke hensyn når de spesifiserer optiske komponenter for et bestemt lasersystem.
Først er deres valg av materiale. Fused silica er et meget godt karakterisert glass med svært lav absorpsjon og er lett å forme og polere, noe som ofte gjør det til det beste valget for mange transmissive og reflekterende optiske komponenter.
"Vi prøver alltid å bruke smeltet silika når vi gjør applikasjoner med høy effekt," sa Dirk Hauschild, direktør for forskning og utvikling av laseroptikk ved Focuslight. "Du får det høyeste kvalitetsnivået, og beleggene på smeltet silika har den høyeste skadeterskelen."
Noen lasersystemer krever imidlertid mer spesialiserte alternativer. Linselasere i høyeffekt CO 2 er ofte laget av sinkselenid, som viser sterk ytelse i det sterke infrarøde, men kan være vanskeligere å bruke. Som andre optiske materialer, må sinkselenid støpes og glattes nøyaktig. Små overflatedefekter kan føre til ytelsesproblemer eller, enda verre, lokal oppbygging på grunn av energien og varmen til laseren. Hauschild sier at dette kan belaste underlaget, noe som kan føre til at ethvert belegg sprekker og brenner. "For virkelig høyeffektapplikasjoner kan en enkelt defekt ødelegge hele optikken."
Å eliminere slike defekter krever grundige slipe- og poleringsprosesser, etterfulgt av nøye kvalitetskontroll, sier Emiliano Ioffe, Ophirs IR-prosessutviklings- og ingeniørsjef, hvis selskap typisk målretter overflateruhetsverdier på mindre enn 1 nm på komponentene, uten riper eller hull tillatt. . Dette er spesielt utfordrende ved bruk av ikke-smeltede silikamaterialer, og Ioffe sier at teamet hans måtte utvikle en spesialisert poleringsprosess for sinkselenidoptikken som brukes i selskapets CO 2 -lasere, spesielt når de forbereder materialer for asfærisk optikk som har blitt stadig mer populære linser .
Disse perfekt glatte overflatene må deretter belegges jevnt med spesialiserte belegg som gir de riktige reflekterende eller antireflekterende egenskapene til komponentene. Hauschild forteller at beleggene ofte er det svakeste leddet i designet. Fordi de er så tynne, kan de sprekke, og de kan endre materialegenskaper over tid. Som et resultat kan dårlig utvalgte eller påførte belegg oppheve det harde arbeidet som går med å produsere den perfekte linsen eller speilet.
I tillegg til deres absorpsjons- og refleksjonsegenskaper, må belegg velges for optimal ytelse ved spesifikke bølgelengder. "For ultrafiolett brukes vanligvis tre eller fire materialer, mens for infrarød er det et helt annet sett med tre eller fire materialer," sier Dabney.
I mange tilfeller må komponenter motta flere lag med forskjellige belegg for å forbedre den ønskede optiske ytelsen, men den forbedringen kan kreve avveininger. "Du kan legge til flere og flere lag for å forbedre reflektiviteten til speilet, men når du legger til lag, absorberer de også, slik at du mister noe av det absorberte lyset," sier Ioffe. "Det er alltid en balanse mellom absorpsjon og refleksjon og overføring."
Flerlagsbelegg må også utformes nøye for å unngå topper i elektrisk feltstyrke ved grensesnittet mellom lagene, noe som kan kompromittere beleggets integritet og til slutt føre til komponentfeil.
Finne meningsfulle fingre
Det er aldri lett å opprettholde et høyt nivå av kvalitetskontroll mens man produserer i kommersiell skala. For noen grunnleggende ytelsesmålinger, for eksempel absorpsjon, er det ingen universelle standarder som bedrifter kan bruke. "Du kan ikke kjøpe en prøve med en bestemt absorpsjonshastighet som et hovedkalibreringssystem," sier Ioffe. "Vi har utviklet og bygget systemer internt for å måle absorpsjon, faseskift, reflektans og transmittans i forskjellige vinkler og forskjellige polarisasjoner."
Mangelen på en universell standard er spesielt problematisk for å evaluere laserindusert skadeterskel (LIDT), en beregning som beskriver det maksimale energinivået en gitt komponent tåler før den opplever målbar skade.
"Det er noen få ISO [International Organization for Standardization]-standarder som gjelder, men disse er ikke tilstrekkelige til å virkelig lage en konsistent laserskadeterskeltest," sier Dabney, medlem av American National Standards Institute (ANSI) initiativ for å utvikle mer detaljerte teststandarder.
Hauschild sier videre at disse standardene kanskje ikke er godt egnet for å evaluere optikkens LIDT, ettersom nye laserdesigner fortsetter å skyve grensene for utgangsytelse.
LIDT påvirkes direkte av selve optikkens sammensetning, kvalitet og belegg, samt bølgelengden og kraften til strålene de påvirker. Men også andre faktorer spiller inn. For eksempel kan størrelsen og formen på strålen endre terskelen avhengig av hvor mye energi som er fordelt over et gitt overflateareal av komponenten. Noen av disse faktorene kan modelleres matematisk, men en nøyaktig LIDT-vurdering krever til slutt direkte testing av selve komponenten.
Det er her mangelen på standardisering i LIDT-testing kommer inn. For øyeblikket, sier Dabney, definerer ISO-standarden LIDT som "synlig skadet. Men det åpner døren for beryktede produsenter til å selge optikk med urealistisk høye LIDTer ved å holde skadevurderingsprosedyrene overfladiske." Du blir ikke belønnet for å se ut som om du prøver hardere - du blir faktisk straffet," sier han. Som et resultat bør LIDT brukes som en informasjonsguide, ikke et mål for rutinemessige driftsforhold. Hauschild sier teamet hans kjører vanligvis sine lasersystemer med effekttettheter godt under LIDT for å sikre langsiktig stabilitet.
Med stor kraft følger et stort ansvar, og brukere må designe lasersystemene sine nøye slik at en sviktende komponent ikke forårsaker en katastrofe. "Et av de store problemene er at hvis folk ikke setter opp strålelinjen riktig, kan du få en tilbakemeldingssløyfe for å eliminere laseren," sier Dabney. For eksempel kan en funksjonsfeil komponent føre til at strålen ved et uhell reflekteres tilbake til lyskilden av et speil.
"Det kan koste deg $100,000 å lasere fordi det bare er $100 deler," sier Dabney. Derfor bør laserkilder isoleres for å forhindre slike tilbakerefleksjonshendelser.
Rutinemessig vedlikehold og overvåking av lasersystemet og dets komponenter er også kritisk. For eksempel, i materialbehandlingsapplikasjoner, har skjermvinduene på høyeffektlasere en tendens til å samle forurensninger fra materialet som behandles, og de må skiftes ut med jevne mellomrom for å forhindre skade som kan tillate de samme forurensningene å sive inn i selve laseren. I tillegg til å betjene laseren under toppeffekt for å minimere stress på systemet, anbefaler Hauschild å bruke detektorer som kan overvåke systemtemperaturen eller registrere bevis på uventet lysspredning som kan indikere en forestående komponentfeil.
Høyeffekt lasersystemer er ikke billige. Men innsatsen for å kutte hjørner på forbrukskomponenter vil sannsynligvis komme tilbake til å hjemsøke sluttbrukeren, som bærer kostnadene for å vedlikeholde, reparere og erstatte systemet.
«Hvis du er drevet av kraft, så kommer du til å betale for det», sier Dabney, men han påpeker også at dette bør få laserforbrukere til å tenke seg om to ganger over hvor mye strøm de faktisk trenger for akkurat sin applikasjon. "Hvis du kan holde deg under et visst nivå, kan du spare litt," sa han.
Mens visse lasersystemer utvilsomt vil fortsette å presse grensene for makt - de som er designet for forsvarsapplikasjoner eller fusjonsforskning, for eksempel - sa Hauschild at han også ser potensiale for alternative løsninger for noen industribrukere. I noen tilfeller, for eksempel, kan flere lasere som opererer med lavere toppeffekt gi tilsvarende produktivitet til en lavere kostnad. "Spørsmålet er ikke bare om vi skal fortsette å skalere opp kraften, men også hvordan vi bruker den på en effektiv måte," sa han.
