Högeffektslasrar har blivit ett standardverktyg och allmänt förekommande verktyg i många industriella tillämpningar, delvis på grund av den exakt kontrollerade energin de tillhandahåller. Men "hög effekt" kan vara ett svårt begrepp att tolka, och kräver ofta något sammanhang att definiera.
Laserapplikationer är till begränsad hjälp när det gäller att fastställa trösklar för hög effekt, eftersom laserparametrar kan sträcka sig från en 10-wattstråle i en 3D-skrivare till en 100-kilowattstråle som genereras av en satellitlaser. Vad som utgör rik funktionalitet för en applikation dokumenteras nästan aldrig i en annan. När den appliceras på lasrar med olika våglängder, när man jämför kontinuerlig våg och pulsad drift, och även när man jämför solid state, gas eller dopade kristallkällor, blir "hög effekt" en relativ term.
Samma stråle som kan penetrera stål eller kan vidarebefordra telekomsignaler över långa avstånd kan också orsaka allvarliga skador på de känsliga optiska komponenterna som styr och formar ljus inom ramen för ett lasersystem. "Du måste kontrollera varenda liten detalj, annars kommer de små detaljerna att vara där skadan börjar - och nästa sak du vet, du har bränt upp en halv miljon dollar i komponenter", säger Tim McComb, chef för global affärsutveckling på Coherent.
Kvalitetskontroll
Ett stort antal optiska komponenter behövs för att säkerställa att laserstrålen uppnår önskad form, storlek och intensitet. Förutom linserna som används för att fokusera och kollimera strålen, innehåller lasersystem vanligtvis speglar, polarisatorer och stråldelare. Var och en av dessa komponenter måste tillverkas och bearbetas med precision och sedan behandlas med specialiserade beläggningar för att säkerställa att slutprodukten har rätt ljusabsorptions-, transmissions- och reflektionsegenskaper. Utan noggrann övervakning ger varje steg av tillverkning, polering, beläggning och testning stora möjligheter för defekter eller fel som kan leda till systemfel.
En komponent kan ha defekta områden som i huvudsak skapar svaga länkar i hela den optiska enheten. Eftersom defekten absorberar energi som borde överföras eller reflekteras, kan det eventuella felet på den komponenten fortplanta sig till resten av systemet, säger Matthew Dabney, huvudlaseringenjör på Altamont Optics.
Laserns bländning kan också orsaka problem genom termiskt inducerad deformation av optiken. Även om dessa effekter inte omedelbart förstör den påverkade optiken, kan de orsaka förändringar i materialets brytningsindex, vilket kan resultera i förvrängd eller suboptimal lasereffekt. Som ett resultat måste lasertillverkare vara medvetna om ett antal överväganden när de specificerar optiska komponenter för ett visst lasersystem.
Först är deras val av material. Fused silica är ett mycket välkarakteriserat glas med mycket låg absorption och är lätt att forma och polera, vilket ofta gör det till det bästa valet för många transmissiva och reflekterande optiska komponenter.
"Vi försöker alltid använda smält kiseldioxid när vi gör högeffektapplikationer", säger Dirk Hauschild, chef för laseroptik forskning och utveckling på Focuslight. "Du får högsta kvalitet, och beläggningarna på smält kiseldioxid har den högsta skadetröskeln."
Vissa lasersystem kräver dock mer specialiserade alternativ. Linslasrar i högeffekts CO 2 är ofta gjorda av zinkselenid, som uppvisar stark prestanda i det starka infraröda, men kan vara svårare att använda. Liksom andra optiska material måste zinkselenid gjutas och jämnas ut exakt. Små ytdefekter kan leda till prestandaproblem eller, ännu värre, lokal uppbyggnad på grund av laserns energi och värme. Hauschild säger att detta kan belasta underlaget, vilket kan göra att beläggningen spricker och bränns. "För applikationer med riktigt hög effekt kan en enda defekt förstöra hela optiken."
Att eliminera sådana defekter kräver noggranna slip- och poleringsprocesser, följt av noggrann kvalitetskontroll, säger Emiliano Ioffe, Ophirs IR-processutvecklings- och ingenjörschef, vars företag vanligtvis siktar på ytråhetsvärden på mindre än 1 nm på sina komponenter, utan att repor eller skåror tillåts. . Detta är särskilt utmanande när man använder icke-smälta kiseldioxidmaterial, och Ioffe säger att hans team var tvungna att utveckla en specialiserad poleringsprocess för zinkselenidoptiken som används i företagets CO 2 -lasrar, särskilt när man förbereder material för asfärisk optik som har blivit allt populärare linser .
Dessa perfekt släta ytor måste sedan beläggas enhetligt med specialiserade beläggningar som ger komponenterna de rätta reflekterande eller antireflekterande egenskaperna. Hauschild säger att beläggningarna ofta är den svagaste länken i designen. Eftersom de är så tunna kan de spricka, och de kan ändra materialegenskaper över tiden. Som ett resultat kan dåligt utvalda eller applicerade beläggningar upphäva det hårda arbete som krävs för att producera den perfekta linsen eller spegeln.
Förutom deras absorptions- och reflektionsegenskaper måste beläggningar väljas för optimal prestanda vid specifika våglängder. "För ultraviolett, tre eller fyra material används vanligtvis, medan för infraröd, det finns en mycket olika uppsättning av tre eller fyra material," säger Dabney.
I många fall måste komponenter få flera lager av olika beläggningar för att förbättra den önskade optiska prestandan, men den förbättringen kan kräva avvägningar. "Du kan lägga till fler och fler lager för att förbättra reflektionsförmågan hos spegeln, men när du lägger till lager absorberar de också, så att du förlorar en del av det absorberade ljuset", säger Ioffe. "Det finns alltid en balans mellan absorption och reflektion och transmission."
Flerskiktsbeläggningar måste också utformas noggrant för att undvika toppar i elektrisk fältstyrka vid gränsytan mellan skikten, vilket kan äventyra beläggningens integritet och i slutändan leda till komponentfel.
Hitta meningsfulla fingrar
Att upprätthålla en hög nivå av kvalitetskontroll samtidigt som man tillverkar i kommersiell skala är aldrig lätt. För vissa grundläggande prestandamått, såsom absorption, finns det inga universella standarder som företag kan använda. "Du kan inte köpa ett prov med en specifik absorptionshastighet som ett masterkalibreringssystem", säger Ioffe. "Vi har utvecklat och byggt system internt för att mäta absorption, fasförskjutning, reflektans och transmittans i olika vinklar och olika polarisationer."
Avsaknaden av en universell standard är särskilt problematisk för att utvärdera den laserinducerade skadetröskeln (LIDT), ett mått som beskriver den maximala energinivån en given komponent kan motstå innan den upplever mätbara skador.
"Det finns några ISO-standarder [International Organization for Standardization] som gäller, men dessa är inte tillräckliga för att verkligen skapa ett konsekvent laserskadetröskeltest", säger Dabney, medlem av American National Standards Institute (ANSI) initiativ för att utveckla mer detaljerade teststandarder.
Hauschild säger vidare att dessa standarder kanske inte är väl lämpade för att utvärdera optikens LIDT, eftersom nya laserdesigner fortsätter att tänja på gränserna för utgångsprestanda.
LIDT påverkas direkt av själva optikens sammansättning, kvalitet och beläggningar, samt våglängden och styrkan hos strålarna de påverkar. Men även andra faktorer spelar in. Till exempel kan strålens storlek och form ändra tröskeln beroende på hur mycket energi som fördelas över en given yta av komponenten. Vissa av dessa faktorer kan modelleras matematiskt, men en korrekt LIDT-bedömning kräver i slutändan direkt testning av själva komponenten.
Det är där bristen på standardisering i LIDT-testning kommer in. För närvarande, säger Dabney, definierar ISO-standarden LIDT som "synligt skadad. Men det öppnar dörren för ökända tillverkare att sälja optik med orealistiskt höga LIDTs genom att hålla skadebedömningsprocedurerna ytliga." Du blir inte belönad för att se ut som om du anstränger dig mer – du blir faktiskt straffad", säger han. Som ett resultat bör LIDT användas som en informationsguide, inte ett mål för rutinmässiga driftsförhållanden. Hauschild säger att hans team kör vanligtvis sina lasersystem med effekttätheter långt under LIDT för att säkerställa långsiktig stabilitet.
Med stor kraft följer ett stort ansvar och användare måste designa sina lasersystem noggrant så att en trasig komponent inte orsakar en katastrof. "En av de stora problemen är att om folk inte ställer in sin strållinje ordentligt kan du få en återkopplingsslinga för att eliminera lasern", säger Dabney. Till exempel kan en felaktig komponent göra att strålen av misstag reflekteras tillbaka till ljuskällan av en spegel.
"Det kan kosta dig $100,000 att lasera eftersom det bara finns $100 delar," säger Dabney. Därför bör laserkällor isoleras för att förhindra sådana bakåtreflektionshändelser.
Rutinunderhåll och övervakning av lasersystemet och dess komponenter är också avgörande. Till exempel, i materialbearbetningsapplikationer tenderar skärmfönstren på högeffektlasrar att samla föroreningar från materialet som bearbetas, och de måste bytas ut med jämna mellanrum för att förhindra skador som kan göra att samma föroreningar kan sippra in i själva lasern. Förutom att använda lasern under toppeffekt för att minimera stressen på systemet, rekommenderar Hauschild att du använder detektorer som kan övervaka systemtemperaturen eller känna av tecken på oväntad ljusspridning som kan indikera ett förestående komponentfel.
Högeffektlasersystem är inte billiga. Men ansträngningarna att skära ner på förbrukningsbara komponenter kommer sannolikt att komma tillbaka för att förfölja slutanvändaren, som står för kostnaderna för att underhålla, reparera och byta ut systemet.
"Om du drivs av kraft, då kommer du att betala för det", säger Dabney, men han påpekar också att detta borde få laserkonsumenter att tänka två gånger på hur mycket kraft de faktiskt behöver för just sin applikation. "Om du kan hålla dig under en viss nivå, då kan du spara lite," sa han.
Medan vissa lasersystem utan tvekan kommer att fortsätta att tänja på maktens gränser - de som är designade för försvarstillämpningar eller fusionsforskning, till exempel - sa Hauschild att han också ser potential för alternativa lösningar för vissa industrianvändare. I vissa fall kan till exempel flera lasrar som arbetar med lägre toppeffekt ge liknande produktivitet till en lägre kostnad. "Frågan är inte bara om vi ska fortsätta att skala upp kraften, utan också hur vi använder den på ett effektivt sätt", sa han.
