Потужні лазери стали стандартним і повсюдним інструментом у багатьох промислових застосуваннях, частково завдяки точно контрольованій енергії, яку вони забезпечують. Але термін «висока потужність» може бути важким для аналізу, і для його визначення часто потрібен певний контекст.
Лазерні програми мало допомагають, коли йдеться про визначення порогів високої вихідної потужності, оскільки параметри лазера можуть коливатися від 10-ватного променя в 3D-принтері до 100-кіловатного променя, створеного супутниковим лазером. Те, що становить багату функціональність для однієї програми, майже ніколи не документується в іншій. У застосуванні до лазерів з різними довжинами хвиль, при порівнянні безперервної та імпульсної роботи, і навіть при порівнянні твердотільних, газових або легованих кристалічних джерел, «висока потужність» стає відносним терміном.
Той самий промінь, який може проникати крізь сталь або передавати телекомунікаційні сигнали на великі відстані, також може серйозно пошкодити чутливі оптичні компоненти, які направляють і формують світло в рамках лазерної системи. «Треба контролювати кожну дрібницю, інакше ці дрібниці стануть причиною шкоди — і наступне, що ти дізнаєшся, — ти спалив півмільйона доларів на компоненти», — каже Тім МакКомб, менеджер із глобального розвитку бізнесу. на Coherent.
Контроль якості
Велика кількість оптичних компонентів необхідна для того, щоб лазерний промінь досяг бажаної форми, розміру та інтенсивності. На додаток до лінз, які використовуються для фокусування та колімації променя, лазерні системи зазвичай містять дзеркала, поляризатори та дільники променя. Кожен із цих компонентів має бути точно виготовлений та оброблений, а потім оброблений спеціальними покриттями, щоб гарантувати, що кінцевий продукт має належні характеристики поглинання, пропускання та відбиття світла. Без ретельного моніторингу кожен етап виготовлення, полірування, нанесення покриття та тестування надає широкі можливості для дефектів або помилок, які можуть призвести до збою системи.
Компонент може мати дефектні ділянки, які, по суті, створюють слабкі ланки у всій оптичній збірці. Оскільки дефект поглинає енергію, яка повинна передаватися або відбиватися, можливий збій цього компонента може поширитися на решту системи, каже Метью Дабні, головний лазерний інженер Altamont Optics.
Відблиски лазера також можуть спричинити проблеми через термічну деформацію оптики. Навіть якщо ці ефекти не відразу руйнують уражену оптику, вони можуть спричинити зміни показника заломлення матеріалу, що може призвести до спотвореного або неоптимального лазерного випромінювання. Як наслідок, виробники лазерів повинні знати про низку міркувань, визначаючи оптичні компоненти для конкретної лазерної системи.
По-перше, це вибір матеріалу. Плавлений кремнезем є дуже добре охарактеризованим склом із дуже низьким поглинанням, яке легко формувати та полірувати, що часто робить його найкращим вибором для багатьох пропускних та відбиваючих оптичних компонентів.
«Ми завжди намагаємося використовувати плавлений кремнезем, коли виконуємо роботи з великою потужністю, — сказав Дірк Хаушильд, директор з досліджень і розробок лазерної оптики Focuslight. «Ви отримуєте найвищий рівень якості, а покриття на плавленому кремнеземі мають найвищий поріг пошкодження».
Однак деякі лазерні системи потребують більш спеціалізованих альтернатив. Лінзові лазери високої потужності CO 2 часто виготовляються із селеніду цинку, який демонструє високу продуктивність в сильному інфрачервоному діапазоні, але може бути складнішим у використанні. Як і інші оптичні матеріали, селенід цинку має бути точно сформований і згладжений. Крихітні дефекти поверхні можуть призвести до проблем з продуктивністю або, що ще гірше, локального накопичення через енергію та тепло лазера. Хаушильд каже, що це може навантажувати підкладку, що може призвести до розтріскування та вигорання будь-якого покриття. «Для справді потужних застосувань один дефект може зруйнувати всю оптику».
Усунення таких дефектів потребує ретельних процесів шліфування та полірування з подальшим ретельним контролем якості, каже Еміліано Іоффе, менеджер з розвитку та інженерних процесів Ophir, чия компанія зазвичай націлена на значення шорсткості поверхні менше 1 нм на своїх компонентах, без подряпин або порізів. . Це особливо складно, коли використовуються неплавлені кремнеземні матеріали, і Іоффе каже, що його команді довелося розробити спеціалізований процес полірування оптики з селеніду цинку, що використовується в CO2-лазерах компанії, особливо під час підготовки матеріалів для асферичної оптики, яка стає все більш популярною лінзою. .
Потім ці ідеально гладкі поверхні повинні бути рівномірно покриті спеціальними покриттями, які надають компонентам належних відбиваючих або антиблікових властивостей. Хаусшильд каже, що покриття часто є найслабшою ланкою в дизайні. Оскільки вони дуже тонкі, вони можуть зламатися та змінювати властивості матеріалу з часом. Як наслідок, погано підібране або нанесене покриття може звести нанівець важку роботу, яка йде на виготовлення ідеальної лінзи чи дзеркала.
На додаток до властивостей поглинання та відбиття, покриття необхідно вибирати для оптимальної роботи на певних довжинах хвиль. «Для ультрафіолетового випромінювання зазвичай використовуються три або чотири матеріали, тоді як для інфрачервоного випромінювання існує зовсім інший набір із трьох або чотирьох матеріалів», — каже Дабні.
У багатьох випадках для покращення бажаних оптичних характеристик компоненти повинні мати кілька шарів різних покриттів, але це покращення може вимагати компромісів. «Ви можете додавати все більше і більше шарів, щоб покращити відбивну здатність дзеркала, але коли ви додаєте шари, вони також поглинають, тому ви втрачаєте частину поглиненого світла», — каже Іоффе. «Завжди існує баланс між поглинанням, відображенням і передачею».
Багатошарові покриття також повинні бути ретельно розроблені, щоб уникнути піків напруженості електричного поля на межі розділу між шарами, що може поставити під загрозу цілісність покриття та, зрештою, призвести до поломки компонента.
Пошук значущих пальців
Підтримувати високий рівень контролю якості під час виробництва в промислових масштабах ніколи не буває легко. Для деяких базових показників ефективності, таких як поглинання, не існує універсальних стандартів, які можуть використовувати компанії. «Ви не можете придбати зразок із певним коефіцієнтом поглинання як головну систему калібрування», — каже Іоффе. «Ми розробили та створили власні системи для вимірювання поглинання, фазового зсуву, відбиття та пропускання під різними кутами та різними поляризаціями».
Відсутність універсального стандарту є особливо проблематичною для оцінки порогу пошкодження, спричиненого лазером (LIDT), метрики, яка описує максимальний рівень енергії, який може витримати даний компонент, перш ніж зазнає вимірних пошкоджень.
«Існує кілька застосовних стандартів ISO [Міжнародної організації зі стандартизації], але їх недостатньо, щоб справді створити послідовне порогове випробування лазерного пошкодження», — каже Дабні, член ініціативи Американського національного інституту стандартів (ANSI) з розробки більшої кількості докладні стандарти тестування.
Далі Хаушильд каже, що ці стандарти можуть не підходити для оцінки LIDT оптики, оскільки нові конструкції лазерів продовжують розширювати межі продуктивності.
На LIDT безпосередньо впливає склад, якість і покриття самої оптики, а також довжина хвилі та потужність променів, на які вони впливають. Але інші чинники також беруть участь. Наприклад, розмір і форма променя можуть змінювати поріг залежно від того, скільки енергії розподілено по даній площі поверхні компонента. Деякі з цих факторів можна змоделювати математично, але точна оцінка LIDT вимагає безпосереднього тестування самого компонента.
Ось тут і виникає відсутність стандартизації в тестуванні LIDT. Наразі, за словами Дабні, стандарт ISO визначає LIDT як «видиме пошкодження. Але це відкриває двері для сумнозвісних виробників продавати оптику з нереально високими LIDT, зберігаючи процедури оцінки пошкоджень поверхневими». Ви не отримуєте винагороду за те, що виглядаєте так, ніби ви стараєтеся більше – вас насправді карають", - каже він. У результаті LIDT слід використовувати як інформаційний довідник, а не як мішень для звичайних умов експлуатації. Хаушильд каже, що його команда зазвичай використовує свої лазерні системи з густиною потужності, значно нижчою за LIDT, щоб забезпечити довгострокову стабільність.
З великою потужністю пов’язана велика відповідальність, і користувачі повинні ретельно проектувати свої лазерні системи, щоб несправний компонент не спричинив катастрофи. «Одна з великих проблем полягає в тому, що якщо люди неправильно налаштують свою лінію променя, ви можете отримати петлю зворотного зв’язку, щоб усунути лазер», — каже Дабні. Наприклад, несправний компонент може призвести до випадкового відбиття променя дзеркалом назад до джерела світла.
«Лазерування може коштувати вам 100 доларів США,000 оскільки деталі коштують лише 100 доларів США», – каже Дабні. Тому лазерні джерела повинні бути ізольовані, щоб запобігти таким подіям зворотного відбиття.
Регулярне обслуговування та моніторинг лазерної системи та її компонентів також є критично важливими. Наприклад, у програмах обробки матеріалів екрануючі вікна на потужних лазерах мають тенденцію накопичувати забруднювачі з матеріалу, що обробляється, і їх необхідно періодично замінювати, щоб запобігти пошкодженням, які можуть дозволити цим самим забруднювачам просочитися в сам лазер. На додаток до роботи лазера на нижчій піковій потужності, щоб мінімізувати навантаження на систему, Hauschild рекомендує використовувати детектори, які можуть контролювати температуру системи або сприймати ознаки неочікуваного розсіювання світла, що може вказувати на загрозливу несправність компонента.
Потужні лазерні системи коштують недешево. Але спроби скоротити витрати на витратні компоненти, ймовірно, повернуться, щоб переслідувати кінцевого користувача, який несе витрати на обслуговування, ремонт і заміну системи.
«Якщо вами керує потужність, то ви за неї заплатите», — каже Дабні, але він також зазначає, що це спонукає споживачів лазерів двічі подумати про те, яка потужність їм насправді потрібна для конкретного застосування. "Якщо ви можете залишатися нижче певного рівня, то можете трохи заощадити", - сказав він.
Незважаючи на те, що певні лазерні системи, безсумнівно, продовжуватимуть розширювати межі потужності - наприклад, ті, що призначені для оборонних застосувань або досліджень термоядерного синтезу, Хаушильд сказав, що він також бачить потенціал для альтернативних рішень для деяких промислових користувачів. У деяких випадках, наприклад, кілька лазерів, що працюють на нижчій піковій потужності, можуть забезпечити аналогічну продуктивність за меншу вартість. «Питання полягає не лише в тому, чи слід нам продовжувати нарощувати потужність, а й у тому, як ми її ефективно використовуємо», — сказав він.
