Vysoce výkonné lasery se staly standardním a všudypřítomným nástrojem v mnoha průmyslových aplikacích, částečně kvůli přesně řízené energii, kterou poskytují. Ale pojem „vysoká síla“ může být obtížně analyzovatelný a často vyžaduje určitý kontext k definování.
Laserové aplikace mají omezenou pomoc, pokud jde o stanovení prahových hodnot vysokého výkonu, protože parametry laseru se mohou pohybovat od 10-wattového paprsku ve 3D tiskárně až po 100-kilowattový paprsek generovaný satelitním laserem. To, co představuje bohatou funkcionalitu pro jednu aplikaci, je stěží zdokumentováno v jiné. Při aplikaci na lasery různých vlnových délek, při porovnávání kontinuálního a pulzního provozu a dokonce i při porovnávání zdrojů v pevné fázi, plynu nebo dopovaných krystalů se „vysoký výkon“ stává relativním pojmem.
Stejný paprsek, který může proniknout ocelí nebo může přenášet telekomunikační signály na velké vzdálenosti, může také způsobit vážné poškození citlivých optických součástí, které vedou a tvarují světlo v rámci laserového systému. "Musíte mít pod kontrolou každý poslední malý detail, jinak tyto malé detaily budou tam, kde poškození začíná - a další věc, kterou víte, že jste spálili půl milionu dolarů na součástkách," říká Tim McComb, manažer globálního obchodního rozvoje. ve společnosti Coherent.
Kontrola kvality
K tomu, aby laserový paprsek dosáhl požadovaného tvaru, velikosti a intenzity, je potřeba velké množství optických komponent. Kromě čoček používaných k zaostření a kolimaci paprsku laserové systémy obvykle obsahují zrcadla, polarizátory a rozdělovače paprsků. Každá z těchto součástí musí být precizně vyrobena a opracována a poté ošetřena speciálními povlaky, aby se zajistilo, že konečný produkt bude mít správnou absorpci, propustnost a odraz světla. Bez pečlivého sledování poskytuje každá fáze výroby, leštění, lakování a testování dostatek příležitostí pro defekty nebo chyby, které mohou vést k selhání systému.
Komponenta může mít vadné oblasti, které v podstatě vytvářejí slabé články v celé optické sestavě. Protože defekt absorbuje energii, která by měla být přenesena nebo odražena, případná porucha této součásti se může rozšířit do zbytku systému, říká Matthew Dabney, hlavní laserový inženýr společnosti Altamont Optics.
Odlesky laseru mohou také způsobit problémy v důsledku tepelně indukované deformace optiky. I když tyto efekty okamžitě nezničí postiženou optiku, mohou způsobit změny v indexu lomu materiálu, což může mít za následek zkreslený nebo suboptimální výstup laseru. V důsledku toho si výrobci laserů musí být vědomi řady úvah při specifikaci optických komponent pro konkrétní laserový systém.
První je jejich výběr materiálu. Tavený oxid křemičitý je velmi dobře charakterizované sklo s velmi nízkou absorpcí a snadno se tvaruje a leští, což z něj často dělá nejlepší volbu pro mnoho transmisivních a reflexních optických komponent.
"Vždy se snažíme používat tavený oxid křemičitý, když děláme vysoce výkonné aplikace," řekl Dirk Hauschild, ředitel výzkumu a vývoje laserové optiky ve Focuslight. "Dostanete nejvyšší úroveň kvality a povlaky na taveném oxidu křemičitém mají nejvyšší práh poškození."
Některé laserové systémy však vyžadují specializovanější alternativy. Čočkové lasery s vysokým výkonem CO 2 jsou často vyrobeny ze selenidu zinku, který vykazuje silný výkon v silné infračervené oblasti, ale jeho použití může být obtížnější. Stejně jako ostatní optické materiály musí být selenid zinečnatý přesně tvarován a vyhlazován. Drobné povrchové defekty mohou vést k problémům s výkonem nebo v horším případě k lokalizovanému nahromadění vlivem energie a tepla laseru. Hauschild říká, že to může namáhat substrát, což může způsobit prasknutí a spálení jakéhokoli povlaku. "U aplikací s opravdu vysokým výkonem může jediná závada zničit celou optiku."
Odstranění takových defektů vyžaduje pečlivé broušení a leštění s následnou pečlivou kontrolou kvality, říká Emiliano Ioffe, manažer vývoje a inženýrství IR procesů Ophir, jehož společnost se obvykle zaměřuje na hodnoty drsnosti povrchu menší než 1 nm na svých součástech, přičemž nejsou povoleny žádné škrábance nebo rýhy. . To je zvláště náročné při použití materiálů z netaveného oxidu křemičitého a Ioffe říká, že jeho tým musel vyvinout specializovaný proces leštění pro optiku selenidu zinku používanou ve firemních CO 2 laserech, zejména při přípravě materiálů pro asférické optiky, které se staly stále oblíbenějšími čočkami. .
Tyto dokonale hladké povrchy pak musí být rovnoměrně potaženy specializovanými povlaky, které součástem propůjčují správné reflexní nebo antireflexní vlastnosti. hauschild říká, že povlaky jsou často nejslabším článkem designu. Protože jsou tak tenké, mohou se zlomit a časem mohou změnit vlastnosti materiálu. Výsledkem je, že špatně vybrané nebo aplikované povlaky mohou negovat tvrdou práci, která je spojena s výrobou dokonalé čočky nebo zrcadla.
Kromě jejich absorpčních a reflexních vlastností musí být povlaky vybrány pro optimální výkon při specifických vlnových délkách. "Pro ultrafialové se obvykle používají tři nebo čtyři materiály, zatímco pro infračervené je velmi odlišná sada tří nebo čtyř materiálů," říká Dabney.
V mnoha případech musí součásti obdržet několik vrstev různých povlaků, aby se zlepšil požadovaný optický výkon, ale toto zlepšení může vyžadovat kompromisy. "Můžete přidávat další a další vrstvy, abyste zlepšili odrazivost zrcadla, ale když přidáte vrstvy, také absorbují, takže ztratíte část absorbovaného světla," říká Ioffe. "Vždy existuje rovnováha mezi absorpcí a odrazem a přenosem."
Vícevrstvé povlaky musí být také pečlivě navrženy, aby se zabránilo špičkám intenzity elektrického pole na rozhraní mezi vrstvami, které mohou narušit integritu povlaku a nakonec vést k selhání součásti.
Hledání smysluplných prstů
Udržet vysokou úroveň kontroly kvality při výrobě v komerčním měřítku není nikdy snadné. Pro některé základní metriky výkonu, jako je například absorpce, neexistují žádné univerzální standardy, které by společnosti mohly používat. "Nemůžete si koupit vzorek se specifickou mírou absorpce jako hlavní kalibrační systém," říká Ioffe. "Vyvinuli jsme a postavili jsme systémy pro měření absorpce, fázového posunu, odrazivosti a propustnosti v různých úhlech a různých polarizacích."
Absence univerzálního standardu je zvláště problematická pro hodnocení prahu poškození způsobeného laserem (LIDT), což je metrika, která popisuje maximální úroveň energie, kterou může daný komponent odolat, než dojde k měřitelnému poškození.
"Existuje několik norem ISO [Mezinárodní organizace pro normalizaci], které platí, ale ty nejsou dostatečné k vytvoření konzistentního testu prahu poškození laserem," říká Dabney, člen iniciativy American National Standards Institute (ANSI), která vyvíjí další podrobné zkušební standardy.
Hauschild dále říká, že tyto normy nemusí být vhodné pro hodnocení LIDT optiky, protože nové konstrukce laserů nadále posouvají hranice výstupního výkonu.
LIDT je přímo ovlivněn složením, kvalitou a povlaky samotné optiky a také vlnovou délkou a výkonem paprsků, které ovlivňují. Do hry ale vstupují i další faktory. Například velikost a tvar paprsku může změnit práh v závislosti na tom, kolik energie je distribuováno na danou plochu povrchu součásti. Některé z těchto faktorů lze modelovat matematicky, ale přesné posouzení LIDT nakonec vyžaduje přímé testování samotné součásti.
To je místo, kde přichází na řadu nedostatek standardizace v testování LIDT. V současné době, říká Dabney, norma ISO definuje LIDT jako "viditelně poškozené. To ale otevírá dveře pro notoricky známé výrobcům, aby prodávali optiku s nerealisticky vysokými LIDT tím, že udržují postupy hodnocení poškození povrchní." Nedostáváte odměnu za to, že vypadáte, že se snažíte víc – jste vlastně penalizováni," říká. V důsledku toho by měl být LIDT používán jako informační průvodce, nikoli cíl pro běžné provozní podmínky. Hauschild říká, že jeho tým obvykle provozuje své laserové systémy při výkonových hustotách hluboko pod LIDT, aby byla zajištěna dlouhodobá stabilita.
S velkým výkonem přichází velká zodpovědnost a uživatelé musí navrhovat své laserové systémy pečlivě, aby vadná součástka nezpůsobila katastrofu. "Jedním z velkých problémů je, že pokud lidé nenastaví svůj paprsek správně, můžete získat zpětnovazební smyčku k odstranění laseru," říká Dabney. Například nefunkční součástka by mohla způsobit, že paprsek bude náhodně odražen zpět ke zdroji světla zrcadlem.
„Laser by vás mohl stát 100 $000, protože tam jsou díly jen za 100 $,“ říká Dabney. Proto by měly být laserové zdroje izolovány, aby se předešlo takovým zpětným odrazům.
Důležitá je také běžná údržba a monitorování laserového systému a jeho součástí. Například v aplikacích zpracování materiálů mají stínící okénka na vysokovýkonných laserech tendenci hromadit nečistoty ze zpracovávaného materiálu a musí být pravidelně vyměňována, aby se zabránilo poškození, které by mohlo umožnit prosakování stejných nečistot do samotného laseru. Kromě provozu laseru pod špičkovým výkonem, aby se minimalizovalo namáhání systému, Hauschild doporučuje používat detektory, které dokážou monitorovat teplotu systému nebo snímat známky neočekávaného rozptylu světla, který může indikovat blížící se poruchu součásti.
Vysoce výkonné laserové systémy nejsou levné. Snahy o omezení spotřebních součástí se však pravděpodobně vrátí a pronásledují koncového uživatele, který nese náklady na údržbu, opravy a výměnu systému.
"Pokud jste poháněni energií, pak za to zaplatíte," říká Dabney, ale také poukazuje na to, že by to mělo spotřebitele laserů přimět, aby si dvakrát rozmysleli, kolik energie skutečně potřebují pro svou konkrétní aplikaci. "Pokud dokážete zůstat pod určitou úrovní, můžete trochu ušetřit," řekl.
Zatímco některé laserové systémy budou nepochybně i nadále posouvat hranice výkonu – například ty, které jsou navrženy pro obranné aplikace nebo výzkum fúze – Hauschild řekl, že také vidí potenciál pro alternativní řešení pro některé průmyslové uživatele. V některých případech může například více laserů pracujících s nižším špičkovým výkonem zajistit podobnou produktivitu při nižších nákladech. „Otázkou není jen to, zda bychom měli pokračovat ve zvyšování výkonu, ale také to, jak jej efektivně využívat,“ řekl.
