Мощные лазеры стали стандартным и повсеместным инструментом во многих промышленных приложениях, отчасти из-за точно контролируемой энергии, которую они обеспечивают. Но «высокая мощность» может быть сложным термином для анализа, и часто для его определения требуется некоторый контекст.
Лазерные приложения мало помогают, когда речь идет об определении порогов высокой выходной мощности, поскольку параметры лазера могут варьироваться от 10-ваттного луча в 3D-принтере до 100-киловаттного луча, генерируемого спутниковым лазером. То, что составляет богатую функциональность для одного приложения, почти никогда не документируется в другом. Применительно к лазерам с разными длинами волн, при сравнении работы в непрерывном и импульсном режимах и даже при сравнении твердотельных, газовых или легированных кристаллов «высокая мощность» становится относительным термином.
Тот же луч, который может проникать сквозь сталь или передавать телекоммуникационные сигналы на большие расстояния, может также нанести серьезный ущерб чувствительным оптическим компонентам, которые направляют и формируют свет в рамках лазерной системы. «Вы должны контролировать каждую мельчайшую деталь, иначе именно из-за этих мельчайших деталей и начнется весь ущерб — и следующее, что вы узнаете, это то, что вы потратили полмиллиона долларов на компоненты», — говорит Тим Маккомб, менеджер по глобальному развитию бизнеса. в Когеренте.
Контроль качества
Требуется большое количество оптических компонентов, чтобы лазерный луч достиг желаемой формы, размера и интенсивности. В дополнение к линзам, используемым для фокусировки и коллимации луча, лазерные системы обычно содержат зеркала, поляризаторы и светоделители. Каждый из этих компонентов должен быть изготовлен и обработан с высокой точностью, а затем обработан специальными покрытиями, чтобы конечный продукт имел надлежащие характеристики поглощения, пропускания и отражения света. Без тщательного контроля каждый этап изготовления, полировки, нанесения покрытия и испытаний предоставляет широкие возможности для дефектов или ошибок, которые могут привести к отказу системы.
Компонент может иметь дефектные участки, которые по существу создают слабые звенья во всей оптической сборке. Поскольку дефект поглощает энергию, которая должна передаваться или отражаться, возможный отказ этого компонента может распространиться на остальную часть системы, говорит Мэтью Дэбни, главный инженер по лазерам в Altamont Optics.
Блики лазера также могут вызвать проблемы из-за термической деформации оптики. Даже если эти эффекты не сразу разрушают пораженную оптику, они могут вызвать изменения показателя преломления материала, что может привести к искажению или субоптимальному выходному сигналу лазера. В результате производители лазеров должны учитывать ряд соображений при выборе оптических компонентов для конкретной лазерной системы.
Во-первых, это выбор материала. Плавленый кварц — это очень хорошо зарекомендовавшее себя стекло с очень низким поглощением, которое легко формуется и полируется, что часто делает его лучшим выбором для многих пропускающих и отражающих оптических компонентов.
«Мы всегда стараемся использовать плавленый кварц, когда работаем с мощными устройствами», — сказал Дирк Хаушильд, директор по исследованиям и разработкам лазерной оптики в Focuslight. «Вы получаете высочайший уровень качества, а покрытия на плавленом кварце имеют самый высокий порог повреждения».
Однако для некоторых лазерных систем требуются более специализированные альтернативы. Линзовые лазеры в высокомощном СО 2 часто изготавливаются из селенида цинка, который демонстрирует высокие характеристики в сильном инфракрасном диапазоне, но может быть более сложным в использовании. Как и другие оптические материалы, селенид цинка необходимо точно формовать и сглаживать. Крошечные поверхностные дефекты могут привести к проблемам с производительностью или, что еще хуже, к локализованным отложениям из-за энергии и тепла лазера. Хаушильд говорит, что это может привести к нагрузке на подложку, что может привести к растрескиванию и возгоранию любого покрытия. «Для действительно мощных приложений один дефект может разрушить всю оптику».
Устранение таких дефектов требует тщательной шлифовки и полировки, за которыми следует тщательный контроль качества, — говорит Эмилиано Иоффе, руководитель отдела разработки процессов и технических разработок компании Ophir, чья компания обычно ориентируется на шероховатость поверхности компонентов менее 1 нм, не допуская появления царапин или выемок. . Это особенно сложно при использовании материалов из неплавленого кварца, и Иоффе говорит, что его команде пришлось разработать специальный процесс полировки оптики на селениде цинка, используемой в лазерах компании на CO 2 , особенно при подготовке материалов для асферической оптики, которая становится все более популярными линзами. .
Затем эти идеально гладкие поверхности должны быть равномерно покрыты специальными покрытиями, которые придают компонентам надлежащие отражающие или просветляющие свойства. Хаусшильд говорит, что покрытия часто являются самым слабым звеном в дизайне. Поскольку они очень тонкие, они могут сломаться и со временем изменить свойства материала. В результате плохо подобранные или нанесенные покрытия могут свести на нет тяжелую работу по созданию идеальной линзы или зеркала.
В дополнение к их поглощающим и отражающим свойствам, покрытия должны быть выбраны для оптимальной работы на определенных длинах волн. «Для ультрафиолета обычно используются три или четыре материала, а для инфракрасного — совсем другой набор из трех или четырех материалов», — говорит Дэбни.
Во многих случаях компоненты должны иметь несколько слоев различных покрытий для улучшения желаемых оптических характеристик, но это улучшение может потребовать компромиссов. «Вы можете добавлять все больше и больше слоев, чтобы улучшить отражательную способность зеркала, но когда вы добавляете слои, они также поглощают, поэтому вы теряете часть поглощенного света», — говорит Иоффе. «Всегда существует баланс между поглощением, отражением и передачей».
Многослойные покрытия также должны быть тщательно спроектированы, чтобы избежать пиков напряженности электрического поля на границе раздела слоев, которые могут нарушить целостность покрытия и в конечном итоге привести к выходу из строя компонента.
Нахождение осмысленных пальцев
Поддержание высокого уровня контроля качества при производстве в коммерческих масштабах никогда не бывает легким. Для некоторых основных показателей эффективности, таких как поглощение, не существует универсальных стандартов, которые могли бы использовать компании. «Вы не можете купить образец с определенной скоростью поглощения в качестве эталонной системы калибровки», — говорит Иоффе. «Мы разработали и построили собственные системы для измерения поглощения, фазового сдвига, коэффициента отражения и пропускания под разными углами и при разных поляризациях».
Отсутствие универсального стандарта особенно проблематично для оценки порога повреждения, вызванного лазером (LIDT), метрики, которая описывает максимальный уровень энергии, который данный компонент может выдержать, прежде чем испытает измеримое повреждение.
«Есть несколько применимых стандартов ISO [Международной организации по стандартизации], но их недостаточно для действительно последовательного испытания порога повреждения лазером», — говорит Дэбни, член инициативы Американского национального института стандартов (ANSI) по разработке дополнительных подробные стандарты испытаний.
Далее Хаушильд говорит, что эти стандарты могут не подходить для оценки LIDT оптики, поскольку новые конструкции лазеров продолжают раздвигать границы выходных характеристик.
На LIDT напрямую влияет состав, качество и покрытия самой оптики, а также длина волны и мощность лучей, на которые они воздействуют. Но в игру вступают и другие факторы. Например, размер и форма луча могут изменять порог в зависимости от того, сколько энергии распределяется по заданной площади поверхности компонента. Некоторые из этих факторов могут быть смоделированы математически, но точная оценка LIDT в конечном итоге требует непосредственного тестирования самого компонента.
Вот тут-то и проявляется отсутствие стандартизации в тестировании LIDT. В настоящее время, по словам Дэбни, стандарт ISO определяет LIDT как «видимо поврежденный. Но это открывает печально известным производителям возможность продавать оптику с нереально высокими LIDT, оставляя процедуры оценки повреждений поверхностными». Вас не вознаграждают за то, что вы выглядите так, словно вы стараетесь усерднее, — вас на самом деле наказывают», — говорит он. В результате LIDT следует использовать в качестве информационного руководства, а не в качестве цели для рутинных рабочих условий. Хаушильд говорит, что его команда обычно использует свои лазерные системы с плотностью мощности значительно ниже LIDT, чтобы обеспечить долгосрочную стабильность.
С большой мощностью приходит и большая ответственность, и пользователи должны тщательно проектировать свои лазерные системы, чтобы неисправный компонент не привел к катастрофе. «Одна из больших проблем заключается в том, что если люди не настроят свои лучи должным образом, вы можете получить петлю обратной связи, чтобы исключить лазер», — говорит Дабни. Например, неисправный компонент может привести к тому, что луч случайно отразится зеркалом обратно к источнику света.
«Лазер может стоить вам 100 долларов000, потому что есть детали всего за 100 долларов, – говорит Дэбни. Следовательно, лазерные источники должны быть изолированы, чтобы предотвратить такие события обратного отражения.
Регулярное техническое обслуживание и мониторинг лазерной системы и ее компонентов также имеют решающее значение. Например, в приложениях по обработке материалов экранирующие окна мощных лазеров имеют тенденцию накапливать загрязняющие вещества из обрабатываемого материала, и их необходимо периодически заменять, чтобы предотвратить повреждение, которое может позволить этим же загрязняющим веществам просочиться в сам лазер. В дополнение к работе лазера ниже пиковой мощности для минимизации нагрузки на систему, Хаушильд рекомендует использовать детекторы, которые могут контролировать температуру системы или обнаруживать признаки неожиданного рассеяния света, которые могут указывать на надвигающийся отказ компонента.
Мощные лазерные системы недешевы. Но попытки сэкономить на расходных компонентах, скорее всего, аукнуться конечным пользователем, который несет расходы по обслуживанию, ремонту и замене системы.
«Если вы руководствуетесь мощностью, то вы за нее заплатите», — говорит Дэбни, но он также отмечает, что это должно побудить потребителей лазеров дважды подумать о том, сколько энергии им действительно нужно для их конкретного приложения. «Если вы можете оставаться ниже определенного уровня, то вы можете немного сэкономить», — сказал он.
В то время как некоторые лазерные системы, несомненно, продолжат раздвигать пределы мощности — например, те, которые предназначены для оборонных приложений или исследований в области термоядерного синтеза — Хаушильд сказал, что он также видит потенциал в альтернативных решениях для некоторых отраслевых пользователей. В некоторых случаях, например, несколько лазеров, работающих с более низкой пиковой мощностью, могут обеспечить аналогичную производительность при меньших затратах. «Вопрос не только в том, должны ли мы продолжать наращивать мощность, но и в том, как мы можем использовать ее эффективно», — сказал он.
