Високомощните лазери се превърнаха в стандартен и повсеместен инструмент в много индустриални приложения, отчасти поради прецизно контролираната енергия, която осигуряват. Но „висока мощност“ може да бъде труден термин за анализиране и често изисква някакъв контекст за дефиниране.
Лазерните приложения са от ограничена помощ, когато става въпрос за определяне на прагове на висока изходна мощност, тъй като параметрите на лазера могат да варират от 10-ватов лъч в 3D принтер до 100-киловатов лъч, генериран от сателитен лазер. Това, което представлява богата функционалност за едно приложение, почти никога не е документирано в друго. Когато се прилага към лазери с различни дължини на вълната, когато се сравнява непрекъсната вълна и импулсна работа и дори когато се сравняват твърдотелни, газови или легирани кристални източници, "висока мощност" става относително понятие.
Същият лъч, който може да проникне през стомана или може да препредава телекомуникационни сигнали на дълги разстояния, също може да причини сериозни щети на чувствителните оптични компоненти, които направляват и оформят светлината в рамките на лазерна система. „Трябва да контролирате всеки най-малък детайл, или тези малки детайли ще са мястото, където започва щетата – и следващото нещо, което знаете, е, че сте изгорили половин милион долара в компоненти“, казва Тим Маккомб, мениджър глобално бизнес развитие в Coherent.
Контрол на качеството
Необходими са голям брой оптични компоненти, за да се гарантира, че лазерният лъч достига желаната форма, размер и интензитет. В допълнение към лещите, използвани за фокусиране и колимиране на лъча, лазерните системи обикновено съдържат огледала, поляризатори и разделители на лъча. Всеки от тези компоненти трябва да бъде прецизно произведен и обработен и след това обработен със специализирани покрития, за да се гарантира, че крайният продукт има правилните характеристики за поглъщане, предаване и отразяване на светлината. Без внимателно наблюдение, всеки етап от производството, полирането, покриването и тестването предоставя достатъчно възможности за дефекти или грешки, които могат да доведат до отказ на системата.
Един компонент може да има дефектни зони, които по същество създават слаби връзки в целия оптичен модул. Тъй като дефектът абсорбира енергия, която трябва да бъде предадена или отразена, евентуалната повреда на този компонент може да се разпространи в останалата част от системата, казва Матю Дабни, главен лазерен инженер в Altamont Optics.
Отблясъците на лазера също могат да причинят проблеми чрез термично предизвикана деформация на оптиката. Дори ако тези ефекти не унищожат незабавно засегнатата оптика, те могат да причинят промени в индекса на пречупване на материала, което може да доведе до изкривен или неоптимален лазерен изход. В резултат на това производителите на лазери трябва да са наясно с редица съображения, когато определят оптични компоненти за конкретна лазерна система.
Първият е техният избор на материал. Разтопеният силициев диоксид е много добре охарактеризирано стъкло с много ниска абсорбция и лесно се оформя и полира, което често го прави най-добрият избор за много предавателни и отразяващи оптични компоненти.
„Винаги се опитваме да използваме стопен силициев диоксид, когато правим приложения с висока мощност“, каза Дирк Хаушилд, директор на изследванията и развитието на лазерната оптика във Focuslight. „Получавате най-високо ниво на качество, а покритията върху стопен силициев диоксид имат най-висок праг на повреда.“
Някои лазерни системи обаче изискват по-специализирани алтернативи. Лазерите с лещи в CO 2 с висока мощност често са направени от цинков селенид, който показва силна производителност в силното инфрачервено лъчение, но може да бъде по-трудно за използване. Подобно на други оптични материали, цинковият селенид трябва да бъде прецизно формован и изгладен. Малките повърхностни дефекти могат да доведат до проблеми с производителността или, още по-лошо, локално натрупване поради енергията и топлината на лазера. Хаушилд казва, че това може да натовари субстрата, което може да причини напукване и изгаряне на всяко покритие. „За приложения с наистина висока мощност един единствен дефект може да унищожи цялата оптика.“
Елиминирането на такива дефекти изисква щателни процеси на шлайфане и полиране, последвани от внимателен контрол на качеството, казва Емилиано Йофе, мениджър за развитие на IR процеси и инженеринг на Ophir, чиято компания обикновено се стреми към стойности на грапавостта на повърхността под 1 nm на своите компоненти, без да се допускат драскотини или вдлъбнатини . Това е особено предизвикателство, когато се използват материали от некондензиран силициев диоксид и Йофе казва, че екипът му е трябвало да разработи специализиран процес на полиране за оптиката от цинков селенид, използвана в лазерите на CO 2 на компанията, особено при подготовката на материали за асферична оптика, които стават все по-популярни лещи .
След това тези идеално гладки повърхности трябва да бъдат равномерно покрити със специализирани покрития, които придават правилните отразяващи или антирефлексни свойства на компонентите. hauschild казва, че покритията често са най-слабото звено в дизайна. Тъй като са толкова тънки, те могат да се счупят и могат да променят свойствата на материала с течение на времето. В резултат на това лошо подбраните или нанесени покрития могат да отменят упоритата работа, необходима за производството на перфектната леща или огледало.
В допълнение към техните свойства на абсорбция и отразяване, покритията трябва да бъдат избрани за оптимална работа при определени дължини на вълните. „За ултравиолетовите лъчи обикновено се използват три или четири материала, докато за инфрачервените има много различен набор от три или четири материала“, казва Дабни.
В много случаи компонентите трябва да получат множество слоеве от различни покрития, за да подобрят желаните оптични характеристики, но това подобрение може да изисква компромиси. „Можете да добавяте все повече и повече слоеве, за да подобрите отразяващата способност на огледалото, но когато добавите слоеве, те също абсорбират, така че губите част от абсорбираната светлина“, казва Йофе. "Винаги има баланс между поглъщане, отражение и предаване."
Многослойните покрития също трябва да бъдат внимателно проектирани, за да се избегнат пикове в напрегнатостта на електрическото поле на границата между слоевете, което може да компрометира целостта на покритието и в крайна сметка да доведе до повреда на компонента.
Намиране на значими пръсти
Поддържането на високо ниво на контрол на качеството, докато се произвежда в търговски мащаб, никога не е лесно. За някои основни показатели за ефективност, като усвояването, няма универсални стандарти, които компаниите могат да използват. „Не можете да закупите проба със специфична степен на абсорбция като главна система за калибриране“, казва Йофе. „Разработихме и изградихме вътрешни системи за измерване на абсорбция, фазово изместване, отражение и пропускливост при различни ъгли и различни поляризации.“
Липсата на универсален стандарт е особено проблематична за оценката на прага на увреждане, причинено от лазер (LIDT), метрика, която описва максималното енергийно ниво, на което даден компонент може да издържи, преди да претърпи измерими щети.
„Има няколко стандарта на ISO [Международна организация за стандартизация], които се прилагат, но те не са достатъчни, за да създадат наистина последователен тест за праг на лазерно увреждане“, казва Дабни, член на инициативата на Американския национален институт по стандартизация (ANSI) за разработване на повече подробни стандарти за изпитване.
Освен това Хаушилд казва, че тези стандарти може да не са подходящи за оценка на LIDT на оптиката, тъй като новите лазерни дизайни продължават да разширяват границите на изходната производителност.
LIDT се влияе пряко от състава, качеството и покритията на самата оптика, както и от дължината на вълната и мощността на лъчите, върху които влияят. Но други фактори също влизат в действие. Например размерът и формата на лъча могат да променят прага в зависимост от това колко енергия е разпределена върху дадена повърхност на компонента. Някои от тези фактори могат да бъдат моделирани математически, но точната оценка на LIDT в крайна сметка изисква директно тестване на самия компонент.
Това е мястото, където идва липсата на стандартизация при тестването на LIDT. В момента, казва Дабни, стандартът ISO определя LIDT като "видимо повреден. Но това отваря вратата за известни производители да продават оптика с нереално високи LIDT, като поддържат процедурите за оценка на щетите повърхностни. " Не получавате възнаграждение за това, че изглеждате така, сякаш се стараете повече - всъщност сте наказани", казва той. В резултат на това LIDT трябва да се използва като информационен наръчник, а не цел за рутинни условия на работа. Hauschild казва, че екипът му обикновено работи с лазерните си системи при плътност на мощността доста под LIDT, за да осигури дългосрочна стабилност.
Голямата мощност идва с голяма отговорност и потребителите трябва внимателно да проектират своите лазерни системи, така че повреден компонент да не причини бедствие. „Един от големите проблеми е, че ако хората не настроят линията на лъча правилно, можете да получите обратна връзка, за да елиминирате лазера“, казва Дабни. Например неправилно функциониращ компонент може да доведе до случайно отразяване на лъча обратно към източника на светлина от огледало.
„Може да ви струва $100000 за лазер, защото има само части за $100,“ казва Дабни. Следователно лазерните източници трябва да бъдат изолирани, за да се предотвратят подобни събития на обратно отражение.
Рутинната поддръжка и наблюдение на лазерната система и нейните компоненти също е от решаващо значение. Например, в приложенията за обработка на материали, екраниращите прозорци на високомощните лазери са склонни да натрупват замърсители от материала, който се обработва, и те трябва да се сменят периодично, за да се предотврати повреда, която може да позволи на същите тези замърсители да проникнат в самия лазер. В допълнение към работата на лазера под пикова мощност, за да се сведе до минимум напрежението върху системата, Hauschild препоръчва използването на детектори, които могат да наблюдават температурата на системата или да усетят доказателства за неочаквано разсейване на светлината, което може да показва предстояща повреда на компонента.
Високомощните лазерни системи не са евтини. Но усилията за ограничаване на разходните компоненти вероятно ще се върнат, за да преследват крайния потребител, който поема разходите за поддръжка, ремонт и подмяна на системата.
„Ако сте движени от мощността, тогава ще платите за нея“, казва Дабни, но той също така посочва, че това трябва да накара потребителите на лазери да помислят два пъти за това колко мощност всъщност им е необходима за тяхното конкретно приложение. „Ако можете да останете под определено ниво, тогава можете да спестите малко“, каза той.
Въпреки че някои лазерни системи несъмнено ще продължат да разширяват границите на мощността - тези, предназначени за отбранителни приложения или изследвания на термоядрен синтез, например - Хаушилд каза, че вижда и потенциал за алтернативни решения за някои потребители в индустрията. В някои случаи, например, множество лазери, работещи с по-ниска пикова мощност, могат да осигурят подобна производителност на по-ниска цена. „Въпросът е не само дали трябва да продължим да увеличаваме мощността, но и как да я използваме по ефективен начин“, каза той.
