Krachtige lasers zijn een standaard en alomtegenwoordig hulpmiddel geworden in veel industriële toepassingen, deels vanwege de nauwkeurig gecontroleerde energie die ze leveren. Maar "hoog vermogen" kan een moeilijke term zijn om te ontleden, en vereist vaak enige context om te definiëren.
Lasertoepassingen bieden slechts een beperkte hulp als het gaat om het bepalen van drempelwaarden voor hoog uitgangsvermogen, aangezien laserparameters kunnen variëren van een 10-wattstraal in een 3D-printer tot een 100-kilowattstraal gegenereerd door een satellietlaser. Wat voor de ene applicatie rijke functionaliteit is, wordt in een andere zelden gedocumenteerd. Wanneer toegepast op lasers met verschillende golflengten, bij het vergelijken van continue golf en gepulste werking, en zelfs bij het vergelijken van solid-state, gas of gedopeerde kristalbronnen, wordt "hoog vermogen" een relatieve term.
Dezelfde straal die staal kan doordringen of telecomsignalen over lange afstanden kan doorgeven, kan ook ernstige schade aanrichten aan de gevoelige optische componenten die licht geleiden en vormen in het kader van een lasersysteem. "Je moet elk klein detail beheersen, of die kleine details zijn waar de schade begint - en voor je het weet, heb je een half miljoen dollar aan componenten verbrand", zegt Tim McComb, manager Global Business Development bij Samenhangend.
Kwaliteitscontrole
Er is een groot aantal optische componenten nodig om ervoor te zorgen dat de laserstraal de gewenste vorm, grootte en intensiteit krijgt. Naast de lenzen die worden gebruikt om de bundel te focussen en te collimeren, bevatten lasersystemen doorgaans spiegels, polarisatoren en bundelsplitsers. Elk van deze componenten moet nauwkeurig worden vervaardigd en bewerkt en vervolgens worden behandeld met gespecialiseerde coatings om ervoor te zorgen dat het eindproduct de juiste lichtabsorptie-, transmissie- en reflectie-eigenschappen heeft. Zonder zorgvuldige monitoring biedt elke fase van fabricage, polijsten, coaten en testen voldoende gelegenheid voor defecten of fouten die kunnen leiden tot systeemstoringen.
Een component kan defecte gebieden hebben die in wezen zwakke schakels in de gehele optische assemblage vormen. Omdat het defect energie absorbeert die moet worden overgedragen of gereflecteerd, kan het uiteindelijke falen van dat onderdeel zich voortplanten naar de rest van het systeem, zegt Matthew Dabney, hoofdlaseringenieur bij Altamont Optics.
De verblinding van de laser kan ook problemen veroorzaken door thermisch geïnduceerde vervorming van de optiek. Zelfs als deze effecten de aangetaste optiek niet onmiddellijk vernietigen, kunnen ze veranderingen in de brekingsindex van het materiaal veroorzaken, wat kan leiden tot vervormde of suboptimale laseroutput. Daarom moeten laserfabrikanten zich bewust zijn van een aantal overwegingen bij het specificeren van optische componenten voor een bepaald lasersysteem.
Ten eerste is hun materiaalkeuze. Gesmolten silica is een zeer goed gekarakteriseerd glas met een zeer lage absorptie en is gemakkelijk te vormen en te polijsten, waardoor het vaak de beste keuze is voor veel doorlatende en reflecterende optische componenten.
"We proberen altijd gesmolten silica te gebruiken wanneer we toepassingen met hoog vermogen doen", zegt Dirk Hauschild, directeur laseroptica-onderzoek en -ontwikkeling bij Focuslight. "Je krijgt het hoogste kwaliteitsniveau en de coatings op gesmolten silica hebben de hoogste schadedrempel."
Sommige lasersystemen vereisen echter meer gespecialiseerde alternatieven. Lenslasers in krachtige CO 2 zijn vaak gemaakt van zinkselenide, dat sterke prestaties vertoont in het sterke infrarood, maar moeilijker te gebruiken kan zijn. Net als andere optische materialen moet zinkselenide nauwkeurig worden gevormd en gladgemaakt. Kleine oppervlaktedefecten kunnen leiden tot prestatieproblemen of, erger nog, plaatselijke opbouw als gevolg van de energie en hitte van de laser. Hauschild zegt dat dit het substraat kan belasten, waardoor elke coating kan barsten en verbranden. "Voor echt krachtige toepassingen kan een enkel defect de hele optiek vernietigen."
Het elimineren van dergelijke defecten vereist nauwgezette slijp- en polijstprocessen, gevolgd door zorgvuldige kwaliteitscontrole, zegt Emiliano Ioffe, Ophir's IR-procesontwikkeling en engineeringmanager, wiens bedrijf doorgaans streeft naar oppervlakteruwheidswaarden van minder dan 1 nm op zijn componenten, zonder krassen of gutsen toegestaan . Dit is met name een uitdaging bij het gebruik van niet-gefuseerde silicamaterialen, en Ioffe zegt dat zijn team een gespecialiseerd polijstproces moest ontwikkelen voor de zinkselenide-optiek die wordt gebruikt in de CO 2 -lasers van het bedrijf, vooral bij het voorbereiden van materialen voor asferische optica die steeds populairder zijn geworden lenzen .
Deze perfect gladde oppervlakken moeten vervolgens uniform worden gecoat met gespecialiseerde coatings die de componenten de juiste reflecterende of antireflecterende eigenschappen geven. Volgens hauschild zijn de coatings vaak de zwakste schakel in het ontwerp. Omdat ze zo dun zijn, kunnen ze breken en kunnen ze de materiaaleigenschappen in de loop van de tijd veranderen. Dientengevolge kunnen slecht geselecteerde of aangebrachte coatings het harde werk tenietdoen dat nodig is om de perfecte lens of spiegel te produceren.
Naast hun absorptie- en reflectie-eigenschappen, moeten coatings worden geselecteerd voor optimale prestaties bij specifieke golflengten. "Voor ultraviolet worden meestal drie of vier materialen gebruikt, terwijl er voor infrarood een heel andere set van drie of vier materialen is", zegt Dabney.
In veel gevallen moeten componenten meerdere lagen van verschillende coatings krijgen om de gewenste optische prestaties te verbeteren, maar voor die verbetering zijn mogelijk compromissen nodig. "Je kunt steeds meer lagen toevoegen om de reflectiviteit van de spiegel te verbeteren, maar als je lagen toevoegt, absorberen ze ook, waardoor je een deel van het geabsorbeerde licht verliest", zegt Ioffe. "Er is altijd een balans tussen absorptie en reflectie en transmissie."
Meerlaagse coatings moeten ook zorgvuldig worden ontworpen om pieken in elektrische veldsterkte op het grensvlak tussen lagen te voorkomen, die de integriteit van de coating kunnen aantasten en uiteindelijk kunnen leiden tot defecten aan componenten.
Zinvolle vingers vinden
Het handhaven van een hoog niveau van kwaliteitscontrole bij productie op commerciële schaal is nooit eenvoudig. Voor sommige basisprestatiestatistieken, zoals absorptie, zijn er geen universele normen die bedrijven kunnen gebruiken. "Je kunt geen monster kopen met een specifieke absorptiesnelheid als hoofdkalibratiesysteem", zegt Ioffe. "We hebben intern systemen ontwikkeld en gebouwd om absorptie, faseverschuiving, reflectie en transmissie onder verschillende hoeken en verschillende polarisaties te meten."
Het ontbreken van een universele standaard is met name problematisch voor het evalueren van de laser-geïnduceerde schadedrempel (LIDT), een maatstaf die het maximale energieniveau beschrijft dat een bepaald onderdeel kan weerstaan voordat het meetbare schade ondervindt.
"Er zijn een paar ISO-normen [International Organization for Standardization] die van toepassing zijn, maar deze zijn niet voldoende om echt een consistente laserschadedrempeltest te creëren", zegt Dabney, een lid van het initiatief van het American National Standards Institute (ANSI) om meer gedetailleerde testnormen.
Hauschild zegt verder dat deze normen mogelijk niet goed geschikt zijn voor het evalueren van de LIDT van optica, aangezien nieuwe laserontwerpen de grenzen van uitvoerprestaties blijven verleggen.
LIDT wordt direct beïnvloed door de samenstelling, kwaliteit en coatings van de optica zelf, evenals de golflengte en het vermogen van de bundels die ze beïnvloeden. Maar ook andere factoren spelen een rol. De grootte en vorm van de straal kunnen bijvoorbeeld de drempel veranderen, afhankelijk van hoeveel energie wordt verdeeld over een bepaald oppervlak van het onderdeel. Sommige van deze factoren kunnen wiskundig worden gemodelleerd, maar een nauwkeurige LIDT-beoordeling vereist uiteindelijk een directe test van het onderdeel zelf.
Dat is waar het gebrek aan standaardisatie in LIDT-testen om de hoek komt kijken. Momenteel, zegt Dabney, definieert de ISO-norm LIDT als "zichtbaar beschadigd. Maar dat opent de deur voor beruchte fabrikanten om optica te verkopen met onrealistisch hoge LIDT's door procedures voor schadebeoordeling oppervlakkig te houden. " Je wordt niet beloond als je eruitziet alsof je harder je best doet - je wordt eigenlijk gestraft', zegt hij. Daarom moet LIDT worden gebruikt als een informatieve gids, niet als een doelwit voor routinematige bedrijfsomstandigheden. Hauschild zegt zijn team laat zijn lasersystemen doorgaans werken met vermogensdichtheden ver onder LIDT om stabiliteit op de lange termijn te garanderen.
Grote kracht brengt grote verantwoordelijkheid met zich mee, en gebruikers moeten hun lasersystemen zorgvuldig ontwerpen zodat een defect onderdeel geen ramp veroorzaakt. "Een van de grote problemen is dat als mensen hun bundellijn niet goed instellen, je een feedbacklus kunt krijgen om de laser te elimineren", zegt Dabney. Een defect onderdeel kan er bijvoorbeeld voor zorgen dat de straal per ongeluk door een spiegel wordt teruggekaatst naar de lichtbron.
"Het kan je $100 kosten,000 om te laseren omdat er slechts $100 onderdelen zijn", zegt Dabney. Daarom moeten laserbronnen worden geïsoleerd om dergelijke terugreflectiegebeurtenissen te voorkomen.
Routinematig onderhoud en bewaking van het lasersysteem en zijn componenten is ook van cruciaal belang. Bij materiaalverwerkingstoepassingen hebben de afschermvensters op krachtige lasers bijvoorbeeld de neiging om verontreinigingen op te hopen van het materiaal dat wordt verwerkt, en ze moeten periodiek worden vervangen om schade te voorkomen waardoor dezelfde verontreinigingen in de laser zelf zouden kunnen sijpelen. Naast het gebruik van de laser onder het piekvermogen om de belasting van het systeem te minimaliseren, raadt Hauschild aan om detectoren te gebruiken die de systeemtemperatuur kunnen bewaken of tekenen van onverwachte lichtverstrooiing kunnen detecteren die kunnen wijzen op een dreigende storing van een onderdeel.
Krachtige lasersystemen zijn niet goedkoop. Maar pogingen om te bezuinigen op vervangbare componenten zullen waarschijnlijk terugkomen om de eindgebruiker te achtervolgen, die de kosten draagt van onderhoud, reparatie en vervanging van het systeem.
"Als je wordt aangedreven door kracht, dan ga je ervoor betalen", zegt Dabney, maar hij wijst er ook op dat dit laserconsumenten ertoe zou moeten aanzetten om twee keer na te denken over hoeveel stroom ze eigenlijk nodig hebben voor hun specifieke toepassing. "Als je onder een bepaald niveau kunt blijven, dan kun je een beetje sparen", zei hij.
Hoewel bepaalde lasersystemen ongetwijfeld de grenzen van het vermogen zullen blijven verleggen - bijvoorbeeld systemen die zijn ontworpen voor defensietoepassingen of fusieonderzoek - zei Hauschild dat hij ook mogelijkheden ziet voor alternatieve oplossingen voor sommige industriële gebruikers. In sommige gevallen kunnen bijvoorbeeld meerdere lasers die op een lager piekvermogen werken, een vergelijkbare productiviteit bieden tegen lagere kosten. "De vraag is niet alleen of we stroom moeten blijven opschalen, maar ook hoe we die op een efficiënte manier gebruiken", zei hij.
