Ласери велике снаге постали су стандардно и свеприсутно средство у многим индустријским применама, делом због прецизно контролисане енергије коју обезбеђују. Али „велика снага“ може бити тежак термин за рашчлањивање и често захтева неки контекст за дефинисање.
Ласерске апликације су од ограничене помоћи када је у питању одређивање прагова велике излазне снаге, пошто параметри ласера могу да се крећу од 10- снопа вати у 3Д штампачу до 100- киловатног зрака који генерише сателитски ласер. Оно што представља богату функционалност за једну апликацију једва да је икада документовано у другој. Када се примени на ласере различитих таласних дужина, када се упореди рад непрекидног таласа и импулса, па чак и када се пореде извори из чврстог стања, гаса или допираних кристала, „велика снага“ постаје релативан појам.
Исти сноп који може да продре у челик или може да преноси телеком сигнале на велике удаљености такође може да изазове озбиљна оштећења осетљивих оптичких компоненти које усмеравају и обликују светлост у оквиру ласерског система. "Морате да контролишете сваки последњи мали детаљ, или ће ти мали детаљи бити тамо где почиње штета - а следеће што знате, сагорели сте пола милиона долара у компонентама", каже Тим Мекомб, менаџер глобалног развоја пословања ат Цохерент.
Контрола квалитета
Потребан је велики број оптичких компоненти да би ласерски зрак постигао жељени облик, величину и интензитет. Поред сочива која се користе за фокусирање и колимацију зрака, ласерски системи обично садрже огледала, поларизаторе и разделнике снопа. Свака од ових компоненти мора бити прецизно произведена и обрађена, а затим третирана специјализованим премазима како би се осигурало да коначни производ има одговарајуће карактеристике апсорпције, трансмисије и рефлексије светлости. Без пажљивог праћења, свака фаза производње, полирања, премазивања и тестирања пружа широку могућност за дефекте или грешке које могу довести до квара система.
Компонента може имати дефектне области које у суштини стварају слабе везе у целом оптичком склопу. Пошто дефект апсорбује енергију која треба да се пренесе или рефлектује, евентуални квар те компоненте може да се прошири на остатак система, каже Маттхев Дабнеи, главни ласерски инжењер у Алтамонт Оптицс.
Одсјај ласера такође може изазвати проблеме због термички изазване деформације оптике. Чак и ако ови ефекти не униште захваћену оптику одмах, они могу изазвати промене у индексу преламања материјала, што може довести до изобличења или неоптималног излаза ласера. Као резултат тога, произвођачи ласера морају да буду свесни бројних разматрања када одређују оптичке компоненте за одређени ласерски систем.
Прво је њихов избор материјала. Таљени силицијум је веома добро окарактерисано стакло са веома ниском апсорпцијом и лако се обликује и полира, што га често чини најбољим избором за многе трансмисивне и рефлектујуће оптичке компоненте.
„Увек покушавамо да користимо фузионисани силицијум када радимо апликације велике снаге“, рекао је Дирк Хаушилд, директор истраживања и развоја ласерске оптике у Фоцуслигхт-у. „Добијате највиши ниво квалитета, а премази на топљеном силицијуму имају највиши праг оштећења.
Међутим, неки ласерски системи захтевају специјализованије алтернативе. Ласери за сочива у ЦО 2 велике снаге су често направљени од цинк селенида, који показује јаке перформансе у јаком инфрацрвеном спектру, али може бити тежи за употребу. Као и други оптички материјали, цинк селенид мора бити прецизно обликован и изглађен. Сићушни површински дефекти могу довести до проблема са перформансама или, што је још горе, локализованог накупљања услед енергије и топлоте ласера. Хаусцхилд каже да то може оптеретити подлогу, што може изазвати пуцање и изгоревање било ког премаза. "За апликације заиста велике снаге, један дефект може уништити целу оптику."
Отклањање таквих дефеката захтева педантне процесе брушења и полирања, праћене пажљивом контролом квалитета, каже Емилиано Иоффе, Опхир-ов менаџер за развој ИР процеса и инжењеринг, чија компанија обично циља на вредности храпавости површине мање од 1 нм на својим компонентама, без дозвољених огреботина или удубљења. . Ово је посебно изазовно када се користе нефузионисани материјали од силицијум диоксида, а Иоффе каже да је његов тим морао да развије специјализовани процес полирања за оптику цинк селенида која се користи у ЦО 2 ласерима компаније, посебно када се припремају материјали за асферичну оптику који постају све популарнији сочива .
Ове савршено глатке површине морају се затим равномерно премазати специјализованим премазима који дају одговарајућа рефлективна или антирефлексна својства компонентама. Хаусцхилд каже да су премази често најслабија карика у дизајну. Пошто су тако танки, могу се ломити и временом мењати својства материјала. Као резултат тога, лоше одабрани или нанесени премази могу поништити напоран рад који иде у производњу савршеног сочива или огледала.
Поред њихових својстава апсорпције и рефлексије, премази морају бити одабрани за оптималне перформансе на одређеним таласним дужинама. „За ултраљубичасто, обично се користе три или четири материјала, док за инфрацрвено постоји веома различит сет од три или четири материјала“, каже Дабнеи.
У многим случајевима, компоненте морају добити више слојева различитих премаза да би побољшале жељене оптичке перформансе, али то побољшање може захтевати компромисе. "Можете додати све више и више слојева да бисте побољшали рефлективност огледала, али када додате слојеве, они такође апсорбују, тако да губите део апсорбоване светлости", каже Иоффе. "Увек постоји равнотежа између апсорпције и рефлексије и преноса."
Вишеслојни премази такође морају бити пажљиво дизајнирани како би се избегли врхови јачине електричног поља на интерфејсу између слојева, који могу угрозити интегритет премаза и на крају довести до квара компоненте.
Проналажење значајних прстију
Одржавање високог нивоа контроле квалитета током производње у комерцијалним размерама никада није лако. За неке основне метрике учинка, као што је апсорпција, не постоје универзални стандарди које компаније могу да користе. „Не можете купити узорак са специфичном стопом апсорпције као главни систем за калибрацију“, каже Иоффе. „Развили смо и изградили системе за мерење апсорпције, фазног померања, рефлексије и пропустљивости под различитим угловима и различитим поларизацијама.
Недостатак универзалног стандарда је посебно проблематичан за процену прага оштећења изазваног ласером (ЛИДТ), метрику која описује максимални ниво енергије који дата компонента може да издржи пре него што доживи мерљиву штету.
„Постоји неколико стандарда ИСО [Међународне организације за стандардизацију] који се примењују, али они нису довољни да би се заиста створио доследан тест прага оштећења ласера“, каже Дабни, члан иницијативе америчког Националног института за стандарде (АНСИ) да развије више детаљни стандарди испитивања.
Хаусцхилд даље каже да ови стандарди можда нису погодни за процену ЛИДТ-а оптике, пошто нови дизајни ласера настављају да померају границе излазних перформанси.
На ЛИДТ директно утичу састав, квалитет и премази саме оптике, као и таласна дужина и снага зрака на које утичу. Али други фактори такође долазе у обзир. На пример, величина и облик зрака могу променити праг у зависности од тога колико је енергије распоређено на дату површину компоненте. Неки од ових фактора се могу математички моделирати, али тачна ЛИДТ процена на крају захтева директно тестирање саме компоненте.
Ту долази до недостатка стандардизације у ЛИДТ тестирању. Тренутно, каже Дабнеи, ИСО стандард дефинише ЛИДТ као „видљиво оштећен. Али то отвара врата озлоглашеним произвођачима да продају оптику са нереално високим ЛИДТ-има држећи процедуре за процјену оштећења површнима. Не добијате награду јер изгледате као да се више трудите – заправо сте кажњени", каже он. Као резултат тога, ЛИДТ би требало да се користи као информативни водич, а не мета за рутинске услове рада. Хаусцхилд каже да његов тим обично покреће своје ласерске системе при густинама снаге знатно испод ЛИДТ-а како би се осигурала дугорочна стабилност.
Са великом снагом долази и велика одговорност, а корисници морају пажљиво да дизајнирају своје ласерске системе како неисправна компонента не би изазвала катастрофу. „Један од великих проблема је тај што ако људи не подесе правилно своју линију снопа, можете добити повратну петљу да бисте елиминисали ласер“, каже Дабни. На пример, неисправна компонента може проузроковати да се сноп случајно рефлектује назад до извора светлости од стране огледала.
„Ласерирање би вас могло коштати 100 УСД,000 јер постоје само делови од 100 УСД“, каже Дабнеи. Стога, ласерске изворе треба изоловати да би се спречили такви догађаји повратне рефлексије.
Рутинско одржавање и надгледање ласерског система и његових компоненти је такође критично. На пример, у апликацијама за обраду материјала, заштитни прозори на ласерима велике снаге имају тенденцију да акумулирају загађиваче из материјала који се обрађује, и морају се повремено заменити како би се спречила оштећења која би могла дозволити да ти исти загађивачи продре у сам ласер. Поред рада са ласером испод вршне снаге како би се смањио стрес на систему, Хаусцхилд препоручује коришћење детектора који могу да прате температуру система или да осете доказе о неочекиваном расипању светлости које може указивати на предстојећи квар компоненте.
Ласерски системи велике снаге нису јефтини. Али напори да се скрене углове на потрошним компонентама ће се вероватно вратити и прогањати крајњег корисника, који сноси трошкове одржавања, поправке и замене система.
„Ако вас покреће снага, онда ћете то платити“, каже Дабнеи, али такође истиче да би то требало да подстакне потрошаче ласера да двапут размисле о томе колико им је енергије заправо потребно за њихову конкретну примену. „Ако можете да останете испод одређеног нивоа, онда можете мало да уштедите“, рекао је он.
Иако ће одређени ласерски системи несумњиво наставити да померају границе снаге - на пример, они дизајнирани за одбрамбене апликације или истраживања фузије - Хаусцхилд је рекао да такође види потенцијал за алтернативна решења за неке кориснике индустрије. У неким случајевима, на пример, више ласера који раде са нижом вршном снагом могу да обезбеде сличну продуктивност по нижој цени. „Питање није само да ли треба да наставимо да повећавамо моћ, већ и како да је користимо на ефикасан начин“, рекао је он.
