Visokozmogljivi laserji so postali standardno in vseprisotno orodje v številnih industrijskih aplikacijah, deloma zaradi natančno nadzorovane energije, ki jo zagotavljajo. Toda izraz "visoka moč" je lahko težko razčleniti in pogosto zahteva določen kontekst za opredelitev.
Laserske aplikacije so v omejeno pomoč, ko gre za določanje pragov visoke izhodne moči, saj lahko laserski parametri segajo od 10--vatnega žarka v 3D-tiskalniku do 100--kilovatnega žarka, ki ga ustvari satelitski laser. Kar predstavlja bogato funkcionalnost za eno aplikacijo, je v drugi skoraj nikoli dokumentirano. Pri uporabi za laserje različnih valovnih dolžin, pri primerjavi neprekinjenega in impulznega delovanja ter celo pri primerjavi trdnih, plinskih ali dopiranih kristalnih virov postane "visoka moč" relativen izraz.
Isti žarek, ki lahko predre jeklo ali prenaša telekomunikacijske signale na velike razdalje, lahko povzroči tudi resne poškodbe občutljivih optičnih komponent, ki vodijo in oblikujejo svetlobo v okviru laserskega sistema. "Nadzirati morate vsako najmanjšo podrobnost, sicer se bo v teh majhnih podrobnostih začela škoda - in takoj ko veste, ste porabili pol milijona dolarjev v komponentah," pravi Tim McComb, vodja globalnega poslovnega razvoja. pri Coherentu.
Kontrola kakovosti
Za zagotovitev, da laserski žarek doseže želeno obliko, velikost in intenzivnost, je potrebnih veliko število optičnih komponent. Poleg leč, ki se uporabljajo za ostrenje in kolimacijo žarka, laserski sistemi običajno vsebujejo ogledala, polarizatorje in cepilnike žarka. Vsaka od teh komponent mora biti natančno izdelana in obdelana ter nato obdelana s posebnimi premazi, da se zagotovi, da ima končni izdelek ustrezne lastnosti absorpcije, prepustnosti in odboja svetlobe. Brez skrbnega spremljanja ponuja vsaka stopnja izdelave, poliranja, premazovanja in testiranja veliko možnosti za napake ali napake, ki lahko povzročijo okvaro sistema.
Komponenta ima lahko okvarjena področja, ki v bistvu ustvarjajo šibke povezave v celotnem optičnem sklopu. Ker napaka absorbira energijo, ki bi se morala prenesti ali odbiti, se lahko morebitna okvara te komponente razširi na preostali del sistema, pravi Matthew Dabney, glavni laserski inženir pri Altamont Optics.
Bleščanje laserja lahko povzroči težave tudi zaradi toplotno povzročene deformacije optike. Tudi če ti učinki ne uničijo takoj prizadete optike, lahko povzročijo spremembe lomnega količnika materiala, kar lahko povzroči popačen ali neoptimalen izhod laserja. Zato se morajo proizvajalci laserjev zavedati številnih premislekov pri določanju optičnih komponent za določen laserski sistem.
Najprej je njihova izbira materiala. Taljeni silicijev dioksid je zelo dobro označeno steklo z zelo nizko absorpcijo in ga je enostavno oblikovati in polirati, zaradi česar je pogosto najboljša izbira za številne prepustne in odbojne optične komponente.
"Vedno poskušamo uporabiti taljeni silicijev dioksid, ko izvajamo aplikacije z visoko močjo," je povedal Dirk Hauschild, direktor raziskav in razvoja laserske optike pri Focuslight. "Dobite najvišjo raven kakovosti, premazi na taljenem silicijevem dioksidu pa imajo najvišji prag poškodb."
Vendar nekateri laserski sistemi zahtevajo bolj specializirane alternative. Laserji z lečami v visokozmogljivem CO 2 so pogosto narejeni iz cinkovega selenida, ki kaže visoko zmogljivost v močnem infrardečem sevanju, vendar ga je lahko težje uporabljati. Tako kot druge optične materiale mora biti tudi cinkov selenid natančno oblikovan in zglajen. Majhne površinske napake lahko povzročijo težave pri delovanju ali, kar je še huje, lokalizirano kopičenje zaradi energije in toplote laserja. Hauschild pravi, da lahko to obremeni substrat, kar lahko povzroči, da kateri koli premaz poči in se vžge. "Pri aplikacijah z resnično visoko močjo lahko ena sama napaka uniči celotno optiko."
Odprava takšnih napak zahteva natančne postopke brušenja in poliranja, ki jim sledi natančen nadzor kakovosti, pravi Emiliano Ioffe, vodja razvoja in inženiringa IR procesov Ophir, katerega podjetje običajno cilja na vrednosti površinske hrapavosti, manjše od 1 nm na svojih komponentah, brez prask ali vdolbin. . To je še posebej zahtevno pri uporabi materialov iz netaljenega silicijevega dioksida in Ioffe pravi, da je morala njegova ekipa razviti poseben postopek poliranja za optiko cinkovega selenida, ki se uporablja v laserjih CO 2 podjetja, zlasti pri pripravi materialov za asferično optiko, ki postaja vse bolj priljubljena leča. .
Te popolnoma gladke površine morajo biti nato enakomerno prevlečene s posebnimi premazi, ki komponentam dajejo ustrezne odbojne ali protiodsevne lastnosti. hauschild pravi, da so premazi pogosto najšibkejši člen v dizajnu. Ker so tako tanki, se lahko zlomijo in lahko sčasoma spremenijo lastnosti materiala. Posledično lahko slabo izbrani ali naneseni premazi izničijo trdo delo, ki je vloženo v izdelavo popolne leče ali ogledala.
Poleg absorpcijskih in odbojnih lastnosti je treba premaze izbrati za optimalno delovanje pri določenih valovnih dolžinah. "Za ultravijolično se običajno uporabljajo trije ali štirje materiali, medtem ko je za infrardeče zelo drugačen niz treh ali štirih materialov," pravi Dabney.
V mnogih primerih morajo komponente prejeti več plasti različnih premazov za izboljšanje želene optične zmogljivosti, vendar je za izboljšanje morda potrebna kompromisna rešitev. "Lahko dodate več in več plasti, da izboljšate odbojnost ogledala, vendar ko dodate plasti, tudi absorbirajo, tako da izgubite nekaj absorbirane svetlobe," pravi Ioffe. "Vedno obstaja ravnovesje med absorpcijo in refleksijo ter prenosom."
Večplastne prevleke je treba prav tako skrbno načrtovati, da se izognemo konicam električne poljske jakosti na vmesniku med plastmi, kar lahko ogrozi celovitost prevleke in na koncu povzroči okvaro komponente.
Iskanje smiselnih prstov
Ohranjanje visoke ravni nadzora kakovosti med proizvodnjo v komercialnem obsegu ni nikoli enostavno. Za nekatere osnovne meritve uspešnosti, kot je absorpcija, ni univerzalnih standardov, ki bi jih podjetja lahko uporabljala. "Ne morete kupiti vzorca s specifično stopnjo absorpcije kot glavnega kalibracijskega sistema," pravi Ioffe. "In-house smo razvili in zgradili sisteme za merjenje absorpcije, faznega premika, odbojnosti in prepustnosti pod različnimi koti in različnimi polarizacijami."
Pomanjkanje univerzalnega standarda je še posebej problematično za ocenjevanje praga lasersko povzročene škode (LIDT), metrike, ki opisuje najvišjo raven energije, ki jo določena komponenta lahko prenese, preden doživi merljivo škodo.
"Obstaja nekaj standardov ISO [Mednarodne organizacije za standardizacijo], ki veljajo, vendar ti ne zadoščajo za resnično ustvarjanje doslednega preskusa praga poškodbe laserja," pravi Dabney, član pobude Ameriškega nacionalnega inštituta za standarde (ANSI) za razvoj več podrobni testni standardi.
Hauschild nadalje pravi, da ti standardi morda niso primerni za ocenjevanje LIDT optike, saj nove zasnove laserjev še naprej premikajo meje izhodne zmogljivosti.
Na LIDT neposredno vplivajo sestava, kakovost in premazi same optike, pa tudi valovna dolžina in moč žarkov, na katere vplivajo. Vendar pridejo v poštev tudi drugi dejavniki. Na primer, velikost in oblika žarka lahko spremenita prag glede na to, koliko energije je porazdeljeno po dani površini komponente. Nekatere od teh dejavnikov je mogoče modelirati matematično, vendar natančna ocena LIDT na koncu zahteva neposredno testiranje same komponente.
Tu pride do pomanjkanja standardizacije pri testiranju LIDT. Trenutno, pravi Dabney, standard ISO opredeljuje LIDT kot "vidno poškodovano. Toda to odpira vrata zloglasnim proizvajalcem, da prodajajo optiko z nerealno visokimi LIDT, tako da ohranjajo postopke ocenjevanja škode površno. " Ne prejmete nagrade za to, da izgledate, kot da se bolj trudite – pravzaprav ste kaznovani," pravi. Posledično je treba LIDT uporabljati kot informativni vodnik, ne kot tarča za rutinske pogoje delovanja. Hauschild pravi, da njegova ekipa običajno uporablja svoje laserske sisteme pri gostotah moči precej pod LIDT, da zagotovi dolgoročno stabilnost.
Velika moč prinaša veliko odgovornost in uporabniki morajo svoje laserske sisteme načrtovati skrbno, da okvarjena komponenta ne povzroči katastrofe. "Ena od velikih težav je, da lahko dobite povratno zanko za odpravo laserja, če ljudje ne nastavijo pravilno linije žarka," pravi Dabney. Na primer, okvarjena komponenta lahko povzroči, da se žarek pomotoma odbije nazaj v vir svetlobe z ogledalom.
»Laser vas lahko stane 100 $000, ker so deli samo 100 $,« pravi Dabney. Zato je treba laserske vire izolirati, da se preprečijo takšni povratni odboji.
Ključnega pomena je tudi redno vzdrževanje in spremljanje laserskega sistema in njegovih komponent. Na primer, pri aplikacijah za obdelavo materialov zaščitna okna na visoko zmogljivih laserjih nagibajo k kopičenju onesnaževalcev iz materiala, ki se obdeluje, zato jih je treba občasno zamenjati, da preprečite poškodbe, zaradi katerih bi lahko ti isti onesnaževalci pronicali v sam laser. Poleg delovanja laserja pod največjo močjo za zmanjšanje obremenitve sistema Hauschild priporoča uporabo detektorjev, ki lahko spremljajo temperaturo sistema ali zaznavajo znake nepričakovanega sipanja svetlobe, ki lahko nakazuje bližajočo se okvaro komponente.
Visokozmogljivi laserski sistemi niso poceni. Vendar se bodo prizadevanja za zmanjšanje potrošnih komponent verjetno vrnila in preganjala končnega uporabnika, ki nosi stroške vzdrževanja, popravil in zamenjave sistema.
"Če vas žene moč, potem boste za to plačali," pravi Dabney, vendar poudarja tudi, da bi moralo to spodbuditi uporabnike laserjev, da dvakrat premislijo o tem, koliko energije dejansko potrebujejo za svojo posebno uporabo. "Če lahko ostanete pod določeno ravnjo, potem lahko malo prihranite," je dejal.
Čeprav bodo nekateri laserski sistemi nedvomno še naprej premikali meje moči – na primer tisti, ki so zasnovani za obrambne aplikacije ali raziskave fuzije – je Hauschild dejal, da vidi tudi potencial za alternativne rešitve za nekatere industrijske uporabnike. V nekaterih primerih lahko na primer več laserjev, ki delujejo pri nižji konični moči, zagotovi podobno produktivnost po nižji ceni. "Vprašanje ni le, ali bi morali še naprej povečevati moč, ampak tudi, kako jo učinkovito uporabiti," je dejal.
