Tehokkaista lasereista on tullut standardi ja kaikkialla käytössä oleva työkalu monissa teollisissa sovelluksissa, osittain niiden tarjoaman tarkasti säädetyn energian vuoksi. Mutta "suuri teho" voi olla vaikea jäsentää termiä, ja sen määritteleminen vaatii usein jonkinlaisen kontekstin.
Lasersovelluksista on vain vähän apua määritettäessä suuritehoisia lähtökynnysarvoja, sillä laserparametrit voivat vaihdella 3D-tulostimen 10-wattisäteestä satelliittilaserin tuottamaan 100-kilowattisäteeseen. Se, mikä muodostaa runsaan toiminnallisuuden yhdelle sovellukselle, on tuskin koskaan dokumentoitu toisessa. Kun sitä käytetään eri aallonpituuksilla oleviin lasereihin, verrattaessa jatkuvaa aalto- ja pulssitoimintaa, ja jopa verrattaessa solid-state-, kaasu- tai seostettuja kidelähteitä, "suuresta tehosta" tulee suhteellinen käsite.
Sama säde, joka voi tunkeutua teräkseen tai välittää tietoliikennesignaaleja pitkiä matkoja, voi myös aiheuttaa vakavia vaurioita herkille optisille komponenteille, jotka ohjaavat ja muokkaavat valoa laserjärjestelmän puitteissa. "Sinun on hallittava jokaista pientä yksityiskohtaa, tai ne pienet yksityiskohdat ovat siellä, missä vahinko alkaa - ja seuraavaksi tiedät, että olet polttanut puoli miljoonaa dollaria komponentteja", sanoo Tim McComb, globaalin liiketoiminnan kehitysjohtaja. Koherentissa.
Laadunvalvonta
Tarvitaan suuri määrä optisia komponentteja varmistaakseen, että lasersäde saavuttaa halutun muodon, koon ja intensiteetin. Säteen tarkentamiseen ja kollimointiin käytettävien linssien lisäksi laserjärjestelmät sisältävät tyypillisesti peilejä, polarisaattoreita ja säteen jakajia. Jokainen näistä komponenteista on valmistettava ja koneistettava tarkasti ja käsiteltävä sitten erikoispinnoitteilla sen varmistamiseksi, että lopputuotteella on oikeat valon absorptio-, läpäisy- ja heijastusominaisuudet. Ilman huolellista valvontaa jokainen valmistus-, kiillotus-, pinnoitus- ja testausvaihe tarjoaa runsaasti mahdollisuuksia vioista tai virheistä, jotka voivat johtaa järjestelmävikaan.
Komponentissa voi olla viallisia alueita, jotka olennaisesti luovat heikkoja lenkkejä koko optiseen kokoonpanoon. Koska vika absorboi energiaa, joka pitäisi siirtää tai heijastua, kyseisen komponentin mahdollinen vika voi levitä muuhun järjestelmään, sanoo Matthew Dabney, Altamont Opticsin johtava laserinsinööri.
Laserin häikäisy voi myös aiheuttaa ongelmia optiikan termisesti aiheuttaman muodonmuutoksen vuoksi. Vaikka nämä vaikutukset eivät välittömästi tuhoaisi vahingoittunutta optiikkaa, ne voivat aiheuttaa muutoksia materiaalin taitekertoimessa, mikä voi johtaa vääristyneeseen tai alioptimaaliseen lasertehoon. Tämän seurauksena laservalmistajien on oltava tietoisia useista seikoista määrittäessään optisia komponentteja tietylle laserjärjestelmälle.
Ensimmäinen on heidän materiaalivalintansa. Sulatettu piidioksidi on erittäin hyvin karakterisoitu lasi, jolla on erittäin alhainen absorptio ja se on helppo muotoilla ja kiillottaa, mikä tekee siitä usein parhaan vaihtoehdon monille läpäiseville ja heijastaville optisille komponenteille.
"Yritämme aina käyttää sulatettua piidioksidia tehdessämme suuritehoisia sovelluksia", sanoi Dirk Hauschild, Focuslightin laseroptiikan tutkimus- ja kehitysjohtaja. "Saat korkeimman laatutason, ja sulatetun piidioksidin pinnoitteilla on korkein vauriokynnys."
Jotkut laserjärjestelmät vaativat kuitenkin erikoistuneempia vaihtoehtoja. Suuritehoiset CO 2 -linssilaserit on usein valmistettu sinkkiselenidistä, joka toimii hyvin voimakkaassa infrapunasäteilyssä, mutta voi olla vaikeampi käyttää. Kuten muutkin optiset materiaalit, sinkkiselenidi on muovattava ja tasoitettava tarkasti. Pienet pintavirheet voivat johtaa suorituskykyongelmiin tai, mikä pahempaa, paikalliseen kerääntymiseen laserin energian ja lämmön vuoksi. Hauschildin mukaan tämä voi rasittaa alustaa, mikä voi aiheuttaa pinnoitteen halkeilua ja palamista. "Todella suuritehoisissa sovelluksissa yksikin vika voi tuhota koko optiikan."
Tällaisten vikojen poistaminen vaatii huolellista hionta- ja kiillotusprosesseja, joita seuraa huolellinen laadunvalvonta, sanoo Emiliano Ioffe, Ophirin IR-prosessikehitys- ja suunnittelupäällikkö, jonka yritys tavoittelee tyypillisesti alle 1 nm:n pinnan karheusarvoja komponenteissaan ilman naarmuja tai kolhuja. . Tämä on erityisen haastavaa käytettäessä sulamattomia piidioksidimateriaaleja, ja Ioffen mukaan hänen tiiminsä piti kehittää erikoiskiillotusprosessi yhtiön CO 2 -lasereissa käytetylle sinkkiselenidioptiikalle, erityisesti valmistettaessa materiaaleja asfääriseen optiikkaan, josta on tullut yhä suositumpia linssejä. .
Nämä täysin sileät pinnat on sitten päällystettävä tasaisesti erikoispinnoitteilla, jotka antavat komponenteille oikeat heijastavat tai heijastamattomat ominaisuudet. Hauschild sanoo, että pinnoitteet ovat usein suunnittelun heikoin lenkki. Koska ne ovat niin ohuita, ne voivat murtua ja muuttaa materiaalin ominaisuuksia ajan myötä. Tämän seurauksena huonosti valitut tai levitetyt pinnoitteet voivat tehdä tyhjäksi täydellisen linssin tai peilin tuottamiseen vaadittavan kovan työn.
Absorptio- ja heijastusominaisuuksiensa lisäksi pinnoitteet on valittava optimaalista suorituskykyä varten tietyillä aallonpituuksilla. "Ultraviolettia varten käytetään tyypillisesti kolmea tai neljää materiaalia, kun taas infrapunalle on olemassa hyvin erilainen kolmen tai neljän materiaalin sarja", Dabney sanoo.
Monissa tapauksissa komponenttien on saatava useita kerroksia erilaisia pinnoitteita halutun optisen suorituskyvyn parantamiseksi, mutta tämä parannus saattaa vaatia kompromisseja. "Voit lisätä ja lisää kerroksia parantaaksesi peilin heijastavuutta, mutta kun lisäät kerroksia, ne myös absorboivat, joten menetät osan absorboidusta valosta", Ioffe sanoo. "Absorption ja heijastuksen ja läpäisyn välillä on aina tasapaino."
Monikerroksiset pinnoitteet on myös suunniteltava huolellisesti, jotta vältetään sähkökentän voimakkuuden huiput kerrosten välisessä rajapinnassa, mikä voi vaarantaa pinnoitteen eheyden ja johtaa lopulta komponenttien rikkoutumiseen.
Merkityksellisten sormien löytäminen
Korkean laadunvalvonnan ylläpitäminen kaupallisessa mittakaavassa valmistuksen aikana ei ole koskaan helppoa. Joillekin perussuorituskyvyn mittareille, kuten absorptiolle, ei ole yleisiä standardeja, joita yritykset voisivat käyttää. "Et voi ostaa näytettä tietyllä absorptionopeudella pääkalibrointijärjestelmäksi", sanoo Ioffe. "Olemme kehittäneet ja rakentaneet järjestelmiä, jotka mittaavat absorptiota, vaihesiirtoa, reflektanssia ja läpäisykykyä eri kulmissa ja eri polarisaatioissa."
Universaalin standardin puute on erityisen ongelmallista arvioitaessa laserin aiheuttamaa vahinkokynnystä (LIDT), mittaria, joka kuvaa maksimienergiatasoa, jonka tietty komponentti voi kestää ennen mitattavissa olevien vaurioiden kokemista.
"On olemassa muutamia ISO [Kansainvälisen standardointijärjestön] standardeja, joita sovelletaan, mutta ne eivät riitä todella luomaan johdonmukaista laservaurion kynnystestiä", sanoo Dabney, American National Standards Instituten (ANSI) aloitteen jäsen. yksityiskohtaiset testistandardit.
Hauschild sanoo lisäksi, että nämä standardit eivät välttämättä sovellu hyvin optiikan LIDT:n arvioimiseen, koska uudet lasermallit lyövät edelleen ulostulon suorituskyvyn rajoja.
LIDT:hen vaikuttavat suoraan itse optiikan koostumus, laatu ja pinnoitteet sekä niiden säteiden aallonpituus ja teho, joihin ne vaikuttavat. Mutta myös muut tekijät vaikuttavat. Esimerkiksi säteen koko ja muoto voivat muuttaa kynnystä riippuen siitä, kuinka paljon energiaa jakautuu komponentin tietylle pinta-alalle. Jotkut näistä tekijöistä voidaan mallintaa matemaattisesti, mutta tarkka LIDT-arviointi edellyttää viime kädessä itse komponentin suoraa testausta.
Tässä kohtaa standardoinnin puute LIDT-testauksessa. Tällä hetkellä Dabney sanoo, että ISO-standardi määrittelee LIDT:n "näkyvästi vaurioituneeksi. Mutta se avaa oven pahamaineisille valmistajille myydä optiikoita epärealistisen korkeilla LIDT-arvoilla pitämällä vaurioiden arviointimenettelyt pinnallisina." Et saa palkkiota siitä, että näytät yrittäväsi kovemmin - sinua todella rangaistaan", hän sanoo. Tästä syystä LIDT:tä tulisi käyttää informatiivisena oppaana, ei rutiinikäyttöolosuhteiden kohteena. Hauschild sanoo tiiminsä tyypillisesti käyttää laserjärjestelmiään reilusti LIDT:n alapuolella tehotiheydellä varmistaakseen pitkän aikavälin vakauden.
Suuren tehon mukana tulee suuri vastuu, ja käyttäjien on suunniteltava laserjärjestelmänsä huolellisesti, jotta viallinen komponentti ei aiheuta katastrofia. "Yksi suurista ongelmista on, että jos ihmiset eivät aseta sädelinjaansa kunnolla, voit saada palautesilmukan laserin poistamiseksi", Dabney sanoo. Esimerkiksi viallinen komponentti voi saada säteen vahingossa heijastumaan takaisin valonlähteeseen peilistä.
"Se voi maksaa sinulle 100 dollaria,000 laserille, koska osia on vain 100 dollaria", Dabney sanoo. Siksi laserlähteet tulisi eristää tällaisten takaisinheijastustapahtumien estämiseksi.
Laserjärjestelmän ja sen osien rutiinihuolto ja valvonta on myös kriittistä. Esimerkiksi materiaalinkäsittelysovelluksissa suuritehoisten lasereiden suojaikkunat pyrkivät keräämään epäpuhtauksia käsiteltävästä materiaalista, ja ne on vaihdettava säännöllisesti, jotta estetään vauriot, jotka voivat mahdollistaa näiden samojen epäpuhtauksien imeytymisen itse laseriin. Sen lisäksi, että laseria käytetään huipputehon alapuolella järjestelmän rasituksen minimoimiseksi, Hauschild suosittelee ilmaisimien käyttöä, jotka voivat tarkkailla järjestelmän lämpötilaa tai havaita merkkejä odottamattomasta valonsirontasta, joka voi viitata osien uhkaavaan vikaan.
Tehokkaat laserjärjestelmät eivät ole halpoja. Mutta ponnistelut kuluvien komponenttien vähentämiseksi tulevat todennäköisesti jälleen kummittelemaan loppukäyttäjää, joka maksaa järjestelmän ylläpidosta, korjaamisesta ja vaihtamisesta aiheutuvat kustannukset.
"Jos sinua ohjaa voima, maksat siitä", Dabney sanoo, mutta hän huomauttaa myös, että tämän pitäisi saada laserkuluttajat miettimään kahdesti, kuinka paljon tehoa he todella tarvitsevat tiettyyn sovellukseensa. "Jos pystyt pysymään tietyn tason alapuolella, voit säästää hieman", hän sanoi.
Vaikka tietyt laserjärjestelmät jatkavat epäilemättä tehon rajojen työntämistä - esimerkiksi puolustussovelluksiin tai fuusiotutkimukseen - Hauschild sanoi näkevänsä myös vaihtoehtoisia ratkaisuja joillekin teollisuuden käyttäjille. Joissakin tapauksissa esimerkiksi useat pienemmällä huipputeholla toimivat laserit voivat tarjota samanlaisen tuottavuuden pienemmillä kustannuksilla. "Kysymys ei ole vain siitä, pitäisikö meidän jatkaa tehon lisäämistä, vaan myös siitä, kuinka käytämme sitä tehokkaasti", hän sanoi.
