Didelės galios lazeriai tapo standartiniu ir visur naudojamu įrankiu daugelyje pramonės sričių, iš dalies dėl tiksliai kontroliuojamos energijos. Tačiau „didelė galia“ gali būti sunkiai išanalizuojamas terminas, todėl dažnai reikia apibrėžti kontekstą.
Lazerio programos yra ribotos, kai reikia nustatyti didelės galios išvesties slenksčius, nes lazerio parametrai gali svyruoti nuo 10-vatų pluošto 3D spausdintuve iki 100-kilovatų pluošto, kurį sukuria palydovinis lazeris. Kas sudaro turtingą vienos programos funkcionalumą, vargu ar kada nors dokumentuojama kitoje. Taikant skirtingų bangų ilgių lazeriams, lyginant nuolatinių bangų ir impulsų veikimą ir net lyginant kietojo kūno, dujų ar legiruotų kristalų šaltinius, „didelė galia“ tampa santykiniu terminu.
Tas pats spindulys, galintis prasiskverbti į plieną arba perduoti telekomunikacijų signalus dideliais atstumais, taip pat gali rimtai pažeisti jautrius optinius komponentus, kurie nukreipia ir formuoja šviesą lazerinės sistemos sistemoje. „Turite kontroliuoti kiekvieną smulkmeną, kitaip nuo tos smulkmenos prasidės žala – o kitas dalykas, kurį žinai, sudeginote pusę milijono dolerių komponentų“, – sako Timas McCombas, pasaulinio verslo plėtros vadovas. „Coherent“.
Kokybės kontrolė
Norint užtikrinti, kad lazerio spindulys pasiektų norimą formą, dydį ir intensyvumą, reikia daug optinių komponentų. Be lęšių, naudojamų spinduliui fokusuoti ir kolimuoti, lazerinėse sistemose paprastai yra veidrodžių, poliarizatorių ir pluošto skirstytuvų. Kiekvienas iš šių komponentų turi būti tiksliai pagamintas ir apdirbtas, o vėliau apdorotas specialiomis dangomis, siekiant užtikrinti, kad galutinis produktas turėtų tinkamas šviesos sugerties, perdavimo ir atspindžio charakteristikas. Be kruopštaus stebėjimo, kiekvienas gamybos, poliravimo, padengimo ir bandymo etapas suteikia daug galimybių defektams ar klaidoms, dėl kurių gali sugesti sistema.
Komponentas gali turėti defektų sričių, kurios iš esmės sukuria silpnas viso optinio mazgo jungtis. Kadangi defektas sugeria energiją, kuri turėtų būti perduodama arba atsispindi, galimas šio komponento gedimas gali plisti į likusią sistemos dalį, sako Matthew Dabney, pagrindinis „Altamont Optics“ lazerių inžinierius.
Lazerio akinimas taip pat gali sukelti problemų dėl termiškai sukeltos optikos deformacijos. Net jei šie efektai iš karto nesunaikina paveiktos optikos, jie gali sukelti medžiagos lūžio rodiklio pokyčius, dėl kurių lazerio išvestis gali būti iškreipta arba neoptimali. Dėl to lazerių gamintojai, nustatydami optinius komponentus konkrečiai lazerinei sistemai, turi žinoti keletą dalykų.
Pirma, jų pasirinkimas yra medžiaga. Lydytas silicio dioksidas yra labai gerai sugeriantis stiklas, kurį lengva formuoti ir poliruoti, todėl jis dažnai yra geriausias pasirinkimas daugeliui pralaidžių ir atspindinčių optinių komponentų.
„Visada stengiamės naudoti lydytą silicio dioksidą, kai atliekame didelės galios programas“, – sakė Dirkas Hauschildas, „Focuslight“ lazerinės optikos tyrimų ir plėtros direktorius. „Jūs gaunate aukščiausią kokybės lygį, o lydyto silicio dioksido dangos turi didžiausią žalos slenkstį.
Tačiau kai kurioms lazerinėms sistemoms reikalingos labiau specializuotos alternatyvos. Didelės galios CO 2 lęšių lazeriai dažnai gaminami iš cinko selenido, kuris pasižymi stipriu infraraudonųjų spindulių poveikiu, tačiau jį naudoti gali būti sunkiau. Kaip ir kitos optinės medžiagos, cinko selenidas turi būti tiksliai suformuotas ir išlygintas. Smulkūs paviršiaus defektai gali sukelti veikimo problemų arba, dar blogiau, vietinį susikaupimą dėl lazerio energijos ir šilumos. Hauschildas teigia, kad tai gali įtempti substratą, dėl kurio bet kokia danga gali įtrūkti ir nudegti. „Tikrai didelės galios atveju vienas defektas gali sunaikinti visą optiką.
Norint pašalinti tokius defektus, reikia atlikti kruopščius šlifavimo ir poliravimo procesus, o po to kruopščiai kontrolę, sako Emiliano Ioffe, „Ophir“ IR procesų plėtros ir inžinerijos vadovas, kurio įmonė paprastai siekia, kad komponentų paviršiaus šiurkštumo vertės būtų mažesnės nei 1 nm, be įbrėžimų ar įbrėžimų. . Tai ypač sudėtinga naudojant nelydyto silicio dioksido medžiagas, ir Ioffe'as teigia, kad jo komanda turėjo sukurti specializuotą cinko selenido optikos, naudojamos bendrovės CO 2 lazeriuose, poliravimo procesą, ypač ruošiant medžiagas asferinei optikai, kuri tampa vis populiaresni lęšiai. .
Šie idealiai lygūs paviršiai turi būti tolygiai padengti specialiomis dangomis, kurios suteikia komponentams tinkamas atspindinčias arba antirefleksines savybes. Hauschildas sako, kad dangos dažnai yra silpniausia dizaino grandis. Kadangi jie yra tokie ploni, jie gali lūžti ir laikui bėgant gali pakeisti medžiagos savybes. Dėl to blogai parinktos arba užteptos dangos gali panaikinti sunkų darbą kuriant tobulą objektyvą ar veidrodį.
Be jų sugerties ir atspindžio savybių, dangos turi būti parinktos taip, kad jos veiktų optimaliai esant tam tikram bangos ilgiui. „Ultravioletinių spindulių atveju paprastai naudojamos trys ar keturios medžiagos, o infraraudonųjų spindulių atveju yra labai skirtingas trijų ar keturių medžiagų rinkinys“, - sako Dabney.
Daugeliu atvejų komponentai turi būti padengti keliais skirtingų dangų sluoksniais, kad pagerintų norimas optines charakteristikas, tačiau norint pagerinti šį patobulinimą, gali prireikti kompromisų. „Galite pridėti vis daugiau sluoksnių, kad pagerintumėte veidrodžio atspindį, bet kai pridedate sluoksnių, jie taip pat sugeria, todėl prarandate dalį sugertos šviesos“, - sako Ioffas. "Visada yra pusiausvyra tarp absorbcijos ir atspindžio bei perdavimo."
Daugiasluoksnės dangos taip pat turi būti kruopščiai suprojektuotos, kad būtų išvengta elektrinio lauko stiprumo smailių sluoksnių sąsajoje, nes tai gali pakenkti dangos vientisumui ir galiausiai sukelti komponentų gedimą.
Prasmingų pirštų radimas
Išlaikyti aukštą kokybės kontrolės lygį gaminant komerciniu mastu niekada nėra lengva. Kai kurioms pagrindinėms veiklos metrikoms, pvz., absorbcijai, nėra universalių standartų, kuriuos įmonės galėtų naudoti. „Negalite nusipirkti mėginio su tam tikru absorbcijos greičiu kaip pagrindinės kalibravimo sistemos“, - sako Ioffe. „Mes sukūrėme ir pastatėme sistemas, skirtas išmatuoti absorbciją, fazės poslinkį, atspindį ir pralaidumą skirtingais kampais ir skirtingomis poliarizacijomis.
Universalaus standarto nebuvimas yra ypač problemiškas vertinant lazerio sukeltos žalos slenkstį (LIDT), metriką, apibūdinančią maksimalų energijos lygį, kurį tam tikras komponentas gali atlaikyti prieš patiriant išmatuojamą žalą.
„Yra keli ISO [Tarptautinės standartizacijos organizacijos] standartai, kurie taikomi, tačiau jų nepakanka, kad būtų sukurtas nuoseklus lazerio pažeidimo slenksčio bandymas“, – sako Dabney, Amerikos nacionalinio standartų instituto (ANSI) iniciatyvos, kuria siekiama sukurti daugiau. išsamūs bandymų standartai.
Be to, Hauschildas teigia, kad šie standartai gali būti netinkami optikos LIDT vertinimui, nes nauji lazerių dizainai ir toliau stumia išvesties veikimo ribas.
LIDT tiesiogiai veikia pačios optikos sudėtis, kokybė ir dangos, taip pat spindulių, kuriuos jie veikia, bangos ilgis ir galia. Tačiau įtakos turi ir kiti veiksniai. Pavyzdžiui, pluošto dydis ir forma gali pakeisti slenkstį, priklausomai nuo to, kiek energijos paskirstoma tam tikrame komponento paviršiaus plote. Kai kuriuos iš šių veiksnių galima sumodeliuoti matematiškai, tačiau norint tiksliai įvertinti LIDT, galiausiai reikia tiesiogiai išbandyti patį komponentą.
Štai čia ir atsiranda standartizacijos trūkumas atliekant LIDT testavimą. Šiuo metu, pasak Dabney, ISO standartas apibrėžia LIDT kaip "matomai pažeistą. Tačiau tai atveria duris žinomiems gamintojams parduoti optiką su nerealiai aukštais LIDT, nes žalos įvertinimo procedūros yra paviršutiniškos". Jūs negaunate atlygio už tai, kad atrodysite taip, lyg labiau stengtumėtės – iš tikrųjų esate nubaustas“, – sako jis. Todėl LIDT turėtų būti naudojamas kaip informacinis vadovas, o ne taikinys įprastoms darbo sąlygoms. Hauschildas sako, kad jo komanda paprastai naudoja savo lazerines sistemas, kurių galios tankis yra gerokai mažesnis už LIDT, kad užtikrintų ilgalaikį stabilumą.
Didelė galia reiškia didelę atsakomybę, o vartotojai turi kruopščiai kurti savo lazerines sistemas, kad sugedęs komponentas nesukeltų nelaimės. „Viena iš didelių problemų yra ta, kad jei žmonės netinkamai nustato savo spindulio liniją, galite gauti grįžtamojo ryšio kilpą, kad pašalintumėte lazerį“, - sako Dabney. Pavyzdžiui, dėl sugedusio komponento spindulys gali atsitiktinai atsispindėti veidrodyje į šviesos šaltinį.
„Lazeris gali kainuoti 100 USD,{1}} nes yra tik 100 USD dalių“, – sako Dabney. Todėl lazerio šaltiniai turėtų būti izoliuoti, kad būtų išvengta tokių atgalinio atspindžio įvykių.
Taip pat labai svarbu nuolatinė lazerinės sistemos ir jos komponentų priežiūra ir stebėjimas. Pavyzdžiui, apdorojant medžiagas, didelės galios lazerių ekrano langeliai linkę kaupti apdorojamos medžiagos teršalus, todėl juos reikia periodiškai keisti, kad būtų išvengta žalos, dėl kurios tie patys teršalai galėtų prasiskverbti į patį lazerį. Be to, kad lazeris būtų naudojamas žemiau didžiausios galios, kad sumažintų sistemos įtampą, Hauschild rekomenduoja naudoti detektorius, kurie gali stebėti sistemos temperatūrą arba pajusti netikėtos šviesos sklaidos požymius, galinčius rodyti gresiantį komponento gedimą.
Didelės galios lazerinės sistemos nėra pigios. Tačiau pastangos sumažinti naudojamus komponentus greičiausiai vėl persekios galutinį vartotoją, kuris padengia sistemos priežiūros, remonto ir keitimo išlaidas.
„Jei jus varo galia, jūs už tai mokėsite“, - sako Dabney, tačiau jis taip pat pabrėžia, kad tai turėtų paskatinti lazerių vartotojus du kartus pagalvoti, kiek galios jiems iš tikrųjų reikia konkrečiam pritaikymui. „Jei galite likti žemiau tam tikro lygio, tada galite šiek tiek sutaupyti“, - sakė jis.
Nors tam tikros lazerinės sistemos neabejotinai ir toliau didins galios ribas – pavyzdžiui, skirtos gynybai ar branduolių sintezės tyrimams – Hauschildas teigė matantis alternatyvių sprendimų potencialą kai kuriems pramonės vartotojams. Kai kuriais atvejais, pavyzdžiui, keli lazeriai, veikiantys mažesne didžiausia galia, gali užtikrinti panašų našumą mažesnėmis sąnaudomis. „Klausimas ne tik, ar turėtume toliau didinti galią, bet ir kaip efektyviai ją panaudosime“, – sakė jis.
