目前，高功率激光器已成為許多工業(yè)加工應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)工具，部分原因在于它們提供了精確可控的能量輸入。但是“高功率”可能是一個(gè)難以解析的術(shù)語(yǔ)，并且通常需要一些外部上下文來(lái)定義。

　　在確定高功率輸出閾值時(shí)，激光應(yīng)用的幫助有限，因?yàn)榧す鈪?shù)的范圍可以從3D打印機(jī)中的10W光束到衛(wèi)星激光器產(chǎn)生的100kW光束。當(dāng)應(yīng)用于不同波長(zhǎng)的激光器時(shí)，在比較連續(xù)波和脈沖操作時(shí)，甚至在比較固態(tài)、氣體或摻雜晶體激光束光源時(shí)，“高功率”也成為一個(gè)相對(duì)術(shù)語(yǔ)。

　　相同的光束可以穿透鋼鐵或可以遠(yuǎn)距離中繼電信信號(hào)，也可能對(duì)激光系統(tǒng)框架內(nèi)引導(dǎo)和塑造光的敏感光學(xué)組件造成嚴(yán)重破壞。“你必須控制每一個(gè)細(xì)節(jié)，否則這些細(xì)節(jié)將成為損害開始的地方。嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致組件出現(xiàn)不可修復(fù)的損傷。”Coherent相干公司全球業(yè)務(wù)發(fā)展部經(jīng)理Tim McComb表示。

　　質(zhì)量控制

　　需要大量光學(xué)元件確保激光束達(dá)到所需的形狀、尺寸和強(qiáng)度。除了用于聚焦和準(zhǔn)直光束的透鏡外，激光系統(tǒng)通常還包含反射鏡、偏振器和分束器。每個(gè)組件都必須經(jīng)過(guò)精密制造和加工，然后用專門的涂層處理，以確保最終產(chǎn)品具有適當(dāng)?shù)墓馕?、透射和反射特性。如果不仔?xì)監(jiān)控每一個(gè)過(guò)程，制造、拋光、涂層和測(cè)試的每個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生缺陷或隱患，從而導(dǎo)致系統(tǒng)在未來(lái)運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障。

　　一個(gè)組件可能有缺陷部位，這些缺陷部位基本上會(huì)在整個(gè)光學(xué)組件中造成薄弱環(huán)節(jié)。愛特蒙特光學(xué)公司的首席激光工程師Matthew Dabney說(shuō)，由于缺陷吸收了應(yīng)該傳輸或反射的能量，因此該組件的最終故障會(huì)傳播到系統(tǒng)的其余部分。

　　激光的強(qiáng)光也可能通過(guò)光學(xué)元件的熱致變形引起問(wèn)題。即使這些影響不會(huì)立即破壞受影響的光學(xué)元件，也會(huì)引起材料折射率的變化，從而導(dǎo)致激光輸出失真或欠佳。因此，激光制造商在為特定激光系統(tǒng)指定光學(xué)組件時(shí)需要注意一系列考慮因素。

　　首先是對(duì)材料的選擇。熔融石英是一種特性非常好的玻璃，具有非常低的吸收率，并且易于成型和拋光，這通常使其成為許多透射和反射光學(xué)元件的最佳選擇。“當(dāng)我們進(jìn)行高功率應(yīng)用時(shí)，我們總是嘗試使用熔融石英，”Focuslight激光光學(xué)研發(fā)總監(jiān)Dirk Hauschild說(shuō)，“可以獲得最高質(zhì)量水平的產(chǎn)品，熔融石英上的涂層具有最高的損壞閾值。”

　　然而，一些激光系統(tǒng)需要更專業(yè)的替代品。高功率CO2中的透鏡激光器通常由硒化鋅制成，硒化鋅在強(qiáng)紅外光下表現(xiàn)出強(qiáng)大性能，但使用起來(lái)更困難。與其他光學(xué)材料一樣，硒化鋅必須精確成型和平滑。微小的表面缺陷可能會(huì)導(dǎo)致性能問(wèn)題。Hauschild說(shuō)，“這會(huì)對(duì)基材產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致任何涂層破裂和燃燒。對(duì)于真正的高功率應(yīng)用，一個(gè)缺陷可能會(huì)破壞整個(gè)光學(xué)元件。”

　　消除此類缺陷需要細(xì)致的研磨和拋光過(guò)程，然后進(jìn)行仔細(xì)的質(zhì)量控制。Ophir的紅外工藝開發(fā)和工程經(jīng)理Emiliano Ioffe表示，公司的目標(biāo)是確保組件的表面粗糙度值小于1nm，不允許出現(xiàn)劃痕或凹坑。這在使用非熔融石英材料時(shí)尤其具有挑戰(zhàn)性，Ioffe說(shuō)他的團(tuán)隊(duì)必須為公司的CO2激光器中使用的硒化鋅光學(xué)元件開發(fā)專門的拋光工藝，特別是在制備已成為越來(lái)越受歡迎的透鏡非球面光學(xué)元件時(shí)。

　　然后，這些完美光滑的表面必須均勻地涂上專門的涂層，為組件賦予適當(dāng)?shù)姆瓷浠蚩狗瓷涮匦?。Hauschild說(shuō)，涂層通常是設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)。因?yàn)樗鼈兎浅１。鼈兛赡軙?huì)斷裂并且隨著時(shí)間的推移會(huì)改變材料特性。因此，選擇或應(yīng)用不當(dāng)?shù)耐繉涌赡軙?huì)抵消為生產(chǎn)完美鏡片或鏡子所付出的辛勤工作。

　　除了它們的吸收和反射特性外，還必須選擇涂層以在特定波長(zhǎng)下獲得最佳性能。“對(duì)于紫外線，通常使用三種或四種材料，而對(duì)于紅外線則有一組非常不同的三種或四種材料。”Dabney說(shuō)道。

　　在許多情況下，組件必須接受多層不同的涂層以改善所需的光學(xué)性能，但這種改善可能需要權(quán)衡取舍。“你可以添加越來(lái)越多的層來(lái)提高鏡子的反射率，但是當(dāng)你添加涂層時(shí)，它們也會(huì)吸收，所以你會(huì)失去一些光的吸收，”Ioffe說(shuō)，“吸收與反射和透射之間總是需要平衡。”

　　同時(shí)，廠商必須仔細(xì)設(shè)計(jì)多層涂層，以避免在層與層之間的界面處形成電場(chǎng)強(qiáng)度峰值，這會(huì)損害涂層的完整性并最終導(dǎo)致組件失效。

　　尋找有意義的指標(biāo)

　　在商業(yè)規(guī)模制造的同時(shí)保持高水平的質(zhì)量控制絕非易事。對(duì)于一些基本的績(jī)效指標(biāo)，例如吸收，沒有可供公司使用的通用標(biāo)準(zhǔn)。“你不能購(gòu)買具有特定吸收率的樣品作為校準(zhǔn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，”Ioffe說(shuō)，“我們?cè)趦?nèi)部開發(fā)和構(gòu)建了一些系統(tǒng)，用于測(cè)量不同角度和不同偏振的吸收、相移、反射和透射率。”

　　缺乏通用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于評(píng)估激光誘導(dǎo)損傷閾值(LIDT)尤其成問(wèn)題，這是一種描述給定組件在經(jīng)歷可測(cè)量損傷之前可以承受的最大能量水平的指標(biāo)。有幾個(gè)ISO標(biāo)準(zhǔn)適用，但這些標(biāo)準(zhǔn)不足以真正創(chuàng)建一致的激光損傷閾值測(cè)試，Dabney表示需要制定更詳細(xì)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

　　Hauschild進(jìn)一步解釋說(shuō)，這些標(biāo)準(zhǔn)可能不太適合評(píng)估光學(xué)器件的LIDT，因?yàn)樾碌募す馄髟O(shè)計(jì)繼續(xù)挑戰(zhàn)輸出的性能邊界。LIDT直接受光學(xué)元件本身的成分、質(zhì)量和涂層影響，另外激光束的波長(zhǎng)和功率也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。但其他因素也會(huì)發(fā)揮作用。例如光束的大小和形狀可以根據(jù)在組件給定表面積上分布的能量多少來(lái)改變閾值。其中一些因素可以進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，但準(zhǔn)確的 LIDT評(píng)估最終需要直接測(cè)試組件本身。

　　這就是缺乏LIDT測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題所在。目前，ISO標(biāo)準(zhǔn)將LIDT定性為“明顯損壞”。但這為聲名狼藉的制造商打開了大門，這些制造商通過(guò)將損壞評(píng)估程序保持在膚淺的水平來(lái)銷售具有不切實(shí)際的高LIDT光學(xué)元件。Hauschild表示，他的團(tuán)隊(duì)通常以遠(yuǎn)低于LIDT的功率密度運(yùn)行其激光系統(tǒng)，以確保長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

　　明智地使用

　　用戶必須小心設(shè)計(jì)他們的激光系統(tǒng)，以免系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致無(wú)法挽回的災(zāi)難。Dabney說(shuō)，其中一個(gè)大問(wèn)題是，如果人們沒有正確設(shè)置光束線，可能會(huì)得到一個(gè)反饋回路來(lái)消除激光，一個(gè)組件的故障可能導(dǎo)致光束被鏡子意外地反射回光源。這可能會(huì)讓100美元的零件損壞10萬(wàn)美元的激光器設(shè)備。

　　激光系統(tǒng)及其組件的日常維護(hù)和監(jiān)控非常重要。在材料加工中，高功率激光器的保護(hù)窗容易被材料加工產(chǎn)生的污染物積聚，因此必須定期更換保護(hù)窗，以防止污染物滲入激光器造成損壞。除了以低于峰值功率運(yùn)行激光器以最大程度地減少系統(tǒng)壓力外，Hauschild還建議使用能夠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度或能夠感知可能預(yù)測(cè)即將發(fā)生的組件故障的意外光散射跡象的探測(cè)器。

　　高功率激光系統(tǒng)并不便宜。但消耗性組件上的偷工減料會(huì)讓終端用戶承擔(dān)維護(hù)、維修和更換系統(tǒng)的成本。Dabney表示，激光的使用者應(yīng)該三思而后行，考慮特定應(yīng)用實(shí)際需要多少功率。

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