Suure võimsusega laseritest on saanud paljudes tööstuslikes rakendustes standardne ja üldlevinud tööriist, osaliselt nende pakutava täpselt juhitava energia tõttu. Kuid "suur võimsus" võib olla raskesti sõelutav termin ja selle määratlemiseks on sageli vaja konteksti.
Laserirakendused on suure võimsusega väljundlävede määramisel piiratud, kuna laseri parameetrid võivad ulatuda 10-vatist 3D-printeri kiirest 100-kilovatisest satelliitlaseri genereeritud kiirest. See, mis kujutab endast ühe rakenduse rikkalikku funktsionaalsust, ei ole peaaegu kunagi dokumenteeritud teises. Erineva lainepikkusega laseritele rakendades muutub "suur võimsus" suhteliseks mõisteks pidevlaine ja impulsstalitluse võrdlemisel ning isegi tahkis-, gaasi- või legeeritud kristallallikate võrdlemisel.
Sama kiir, mis võib tungida läbi terasest või edastada telekommunikatsiooni signaale pikkadele vahemaadele, võib samuti põhjustada tõsiseid kahjustusi tundlikele optilistele komponentidele, mis lasersüsteemis valgust suunavad ja kujundavad. "Sa pead kontrollima iga viimast pisiasja, vastasel juhul saavad kahju alguse just need pisidetailid – ja järgmiseks teate, et olete põletanud pool miljonit dollarit komponente," ütleb globaalse äriarenduse juht Tim McComb. Koherentis.
Kvaliteedi kontroll
Laserkiire soovitud kuju, suuruse ja intensiivsuse saavutamiseks on vaja suurt hulka optilisi komponente. Lisaks kiire teravustamiseks ja kollimeerimiseks kasutatavatele läätsedele sisaldavad lasersüsteemid tavaliselt peegleid, polarisaatoreid ja kiirte jagajaid. Kõik need komponendid peavad olema täpselt valmistatud ja töödeldud ning seejärel töödeldud spetsiaalsete katetega tagamaks, et lõpptootel on õiged valguse neeldumis-, läbilaskvus- ja peegeldusomadused. Ilma hoolika järelevalveta annab iga valmistamise, poleerimise, katmise ja katsetamise etapp piisavalt võimalusi defektide või vigade ilmnemiseks, mis võivad põhjustada süsteemi rikke.
Komponendil võivad olla defektsed alad, mis loovad sisuliselt nõrgad lülid kogu optilises sõlmes. Kuna defekt neelab energiat, mida tuleks edastada või peegeldada, võib selle komponendi võimalik rike levida ka ülejäänud süsteemi, ütleb Altamont Opticsi laserinsener Matthew Dabney.
Laseri peegeldus võib probleeme tekitada ka optika termiliselt indutseeritud deformatsiooni tõttu. Isegi kui need mõjud mõjutatud optikat koheselt ei hävita, võivad need põhjustada muutusi materjali murdumisnäitajas, mille tulemuseks võib olla moonutatud või ebaoptimaalne laserväljund. Seetõttu peavad laseritootjad teatud lasersüsteemi optiliste komponentide määramisel olema teadlikud mitmetest kaalutlustest.
Esiteks on nende materjali valik. Sulatatud ränidioksiid on väga hästi iseloomustatud ja väga madala neelduvusega klaas, mida on lihtne vormida ja poleerida, mistõttu on see sageli parim valik paljude läbilaskvate ja peegeldavate optiliste komponentide jaoks.
"Püüame suure võimsusega rakenduste tegemisel alati kasutada sulatatud ränidioksiidi," ütles Focuslighti laseroptika uurimis- ja arendusdirektor Dirk Hauschild. "Saate kõrgeima kvaliteeditaseme ja sulatatud ränidioksiidi katetel on kõrgeim kahjulävi."
Mõned lasersüsteemid nõuavad siiski spetsiifilisemaid alternatiive. Suure võimsusega CO 2 läätselaserid on sageli valmistatud tsinkseleniidist, millel on tugev infrapunakiirgus, kuid mida võib olla raskem kasutada. Nagu teisedki optilised materjalid, tuleb ka tsinkseleniid täpselt vormida ja siluda. Pisikesed pinnadefektid võivad põhjustada jõudlusprobleeme või, mis veelgi hullem, lokaalset kogunemist laseri energia ja kuumuse tõttu. Hauschildi sõnul võib see substraati pingestada, mis võib põhjustada katte pragunemist ja põlemist. "Tõeliselt suure võimsusega rakenduste puhul võib üks defekt hävitada kogu optika."
Selliste defektide kõrvaldamine nõuab põhjalikku lihvimis- ja poleerimisprotsesse, millele järgneb hoolikas kvaliteedikontroll, ütleb Emiliano Ioffe, Ophiri IR-protsesside arendus- ja insenerijuht, kelle ettevõte sihib tavaliselt oma komponentide pinnakareduse väärtusi alla 1 nm, ilma kriimustuste ja täketeta. . See on eriti keeruline sulamata ränidioksiidi materjalide kasutamisel ja Ioffe sõnul pidi tema meeskond välja töötama spetsiaalse poleerimisprotsessi ettevõtte CO 2 laserites kasutatava tsinkseleniidoptika jaoks, eriti kui valmistatakse ette materjale asfäärilise optika jaoks, mis on muutunud üha populaarsemaks läätsedeks. .
Need täiesti siledad pinnad tuleb seejärel ühtlaselt katta spetsiaalsete katetega, mis annavad komponentidele õiged peegeldavad või peegeldusvastased omadused. Hauschild ütleb, et pinnakatted on sageli disaini nõrgim lüli. Kuna need on nii õhukesed, võivad need puruneda ja aja jooksul materjali omadusi muuta. Selle tulemusena võivad halvasti valitud või peale kantud katted olematuks teha raske töö täiusliku objektiivi või peegli valmistamisel.
Lisaks neeldumis- ja peegeldusomadustele tuleb katted valida optimaalseks toimimiseks kindlatel lainepikkustel. "Ultravilja puhul kasutatakse tavaliselt kolme või nelja materjali, infrapuna jaoks aga väga erinevat kolme või nelja materjali komplekti," ütleb Dabney.
Paljudel juhtudel peavad komponendid saama soovitud optilise jõudluse parandamiseks mitu kihti erinevat kattekihti, kuid see parandamine võib nõuda kompromisse. "Saate lisada üha rohkem kihte, et parandada peegli peegelduvust, kuid kihtide lisamisel neelavad need ka, nii et kaotate osa neeldunud valgusest, " ütleb Ioffe. "Neeldumise ja peegelduse ning ülekande vahel on alati tasakaal."
Mitmekihilised katted tuleb samuti hoolikalt kavandada, et vältida elektrivälja tugevuse tippe kihtidevahelisel liidesel, mis võib kahjustada katte terviklikkust ja lõpuks põhjustada komponendi rikke.
Tähenduslike sõrmede leidmine
Kvaliteedikontrolli kõrge taseme säilitamine kaubanduslikus mastaabis tootmise ajal pole kunagi lihtne. Mõnede põhiliste toimivusmõõdikute (nt neeldumise) jaoks pole universaalseid standardeid, mida ettevõtted saaksid kasutada. "Te ei saa osta kindla neeldumiskiirusega proovi põhikalibreerimissüsteemina, " ütleb Ioffe. "Oleme ise välja töötanud ja ehitanud süsteeme, et mõõta neeldumist, faasinihet, peegeldust ja läbilaskvust erinevate nurkade ja erinevate polarisatsioonide all."
Universaalse standardi puudumine on eriti problemaatiline laseriga põhjustatud kahju künnise (LIDT) hindamisel, mis kirjeldab maksimaalset energiataset, mida antud komponent suudab taluda enne mõõdetava kahjustuse tekkimist.
"Kehtivad mõned ISO [Rahvusvahelise Standardiorganisatsiooni] standardid, kuid need ei ole piisavad, et luua järjepidev laserkahjustuste lävitest," ütleb Dabney, Ameerika riikliku standardiinstituudi (ANSI) algatuse liige, et töötada välja rohkem. üksikasjalikud testistandardid.
Lisaks ütleb Hauschild, et need standardid ei pruugi optika LIDT hindamiseks hästi sobida, kuna uued laserdisainilahendused nihutavad jätkuvalt väljundvõimsuse piire.
LIDT-d mõjutavad otseselt optika enda koostis, kvaliteet ja katted, samuti nende mõjutavate kiirte lainepikkus ja võimsus. Kuid mängu tulevad ka muud tegurid. Näiteks võib kiire suurus ja kuju muuta läve sõltuvalt sellest, kui palju energiat komponendi antud pindalale jaotatakse. Mõnda neist teguritest saab matemaatiliselt modelleerida, kuid täpne LIDT hindamine nõuab lõpuks komponendi enda otsest testimist.
Siin tulebki esile LIDT-testimise standardimise puudumine. Dabney sõnul määratleb ISO standard LIDT praegu kui "nähtavalt kahjustatud. See aga avab kurikuulsatele tootjatele võimaluse müüa ebareaalselt kõrge LIDT-ga optikat, hoides kahjustuste hindamise protseduurid pealiskaudsetena." Te ei saa tasu selle eest, et näete rohkem pingutavat – teid karistatakse tegelikult," ütleb ta. Seetõttu tuleks LIDT-d kasutada informatiivse juhendina, mitte tavapäraste töötingimuste sihtmärgina. Hauschild ütleb, et tema meeskond kasutab oma lasersüsteeme tavaliselt LIDT-st tunduvalt madalamal võimsustihedusel, et tagada pikaajaline stabiilsus.
Suure võimsusega kaasneb suur vastutus ja kasutajad peavad oma lasersüsteemid hoolikalt kavandama, et rikkis komponent ei põhjustaks katastroofi. "Üks suuri probleeme on see, et kui inimesed ei seadista oma valgusvihu õigesti, saate laseri kõrvaldamiseks tagasisideahela," ütleb Dabney. Näiteks võib rikkis komponent põhjustada valgusvihu kogemata peegeldumise peegli poolt tagasi valgusallikale.
"See võib teile laseriga maksta 100 dollarit,{1}} kuna osasid on ainult 100 dollarit," ütleb Dabney. Seetõttu tuleks laseriallikad selliste tagasipeegeldumise vältimiseks eraldada.
Kriitiline on ka lasersüsteemi ja selle komponentide korrapärane hooldus ja jälgimine. Näiteks materjalide töötlemise rakendustes kipuvad suure võimsusega laserite varjestusaknad koguma töödeldavast materjalist saasteaineid ja neid tuleb perioodiliselt vahetada, et vältida kahjustusi, mis võivad lasta samadel saasteainetel laserisse imbuda. Lisaks laseri kasutamisele alla tippvõimsuse, et minimeerida süsteemi pingeid, soovitab Hauschild kasutada detektoreid, mis suudavad jälgida süsteemi temperatuuri või tuvastada tõendeid ootamatu valguse hajumise kohta, mis võib viidata eelseisvale komponendi rikkele.
Suure võimsusega lasersüsteemid ei ole odavad. Kuid jõupingutused kulutavate komponentide kärpimiseks tulevad tõenäoliselt tagasi lõppkasutajale, kes kannab süsteemi hooldamise, parandamise ja asendamise kulud.
"Kui teid juhib võimsus, siis maksate selle eest," ütleb Dabney, kuid juhib tähelepanu ka sellele, et see peaks ajendama laseritarbijaid kaks korda mõtlema, kui palju võimsust nad konkreetse rakenduse jaoks tegelikult vajavad. «Kui suudad teatud tasemest allapoole jääda, siis saad natuke kokku hoida,» lausus ta.
Kuigi teatud lasersüsteemid jätkavad kahtlemata võimsuse piiride nihutamist – need, mis on mõeldud näiteks kaitserakendusteks või termotuumasünteesiuuringuteks –, ütles Hauschild, et näeb ka mõne tööstuse kasutajate jaoks potentsiaali alternatiivsete lahenduste leidmiseks. Mõnel juhul võib näiteks mitu laserit, mis töötavad madalama tippvõimsusega, pakkuda samasugust tootlikkust madalamate kuludega. "Küsimus pole mitte ainult selles, kas peaksime jätkama võimsuse suurendamist, vaid ka selles, kuidas me seda tõhusalt kasutame," ütles ta.
