目前，高功率激光器已成為許多工業(yè)加工應(yīng)用中的標準工具，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”可能是一個難以解析的術(shù)語，并且通常需要一些外部上下文來定義。

　　在確定高功率輸出閾值時，激光應(yīng)用的幫助有限，因為激光參數(shù)的范圍可以從3D打印機中的10W光束到衛(wèi)星激光器產(chǎn)生的100kW光束。當應(yīng)用于不同波長的激光器時，在比較連續(xù)波和脈沖操作時，甚至在比較固態(tài)、氣體或摻雜晶體激光束光源時，“高功率”也成為一個相對術(shù)語。

　　相同的光束可以穿透鋼鐵或可以遠距離中繼電信信號，也可能對激光系統(tǒng)框架內(nèi)引導(dǎo)和塑造光的敏感光學(xué)組件造成嚴重破壞。“你必須控制每一個細節(jié)，否則這些細節(jié)將成為損害開始的地方。嚴重時，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)元件確保激光束達到所需的形狀、尺寸和強度。除了用于聚焦和準直光束的透鏡外，激光系統(tǒng)通常還包含反射鏡、偏振器和分束器。每個組件都必須經(jīng)過精密制造和加工，然后用專門的涂層處理，以確保最終產(chǎn)品具有適當?shù)墓馕?、透射和反射特性。如果不仔細監(jiān)控每一個過程，制造、拋光、涂層和測試的每個階段都會產(chǎn)生缺陷或隱患，從而導(dǎo)致系統(tǒng)在未來運行時發(fā)生故障。

　　一個組件可能有缺陷部位，這些缺陷部位基本上會在整個光學(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，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傳播到系統(tǒng)的其余部分。

　　激光的強光也可能通過光學(xué)元件的熱致變形引起問題。即使這些影響不會立即破壞受影響的光學(xué)元件，也會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)組件時需要注意一系列考慮因素。

　　首先是對材料的選擇。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。“當我們進行高功率應(yīng)用時，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，“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，硒化鋅在強紅外光下表現(xiàn)出強大性能，但使用起來更困難。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導(dǎo)致性能問題。Hauschild說，“這會對基材產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致任何涂層破裂和燃燒。對于真正的高功率應(yīng)用，一個缺陷可能會破壞整個光學(xué)元件。”

　　消除此類缺陷需要細致的研磨和拋光過程，然后進行仔細的質(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尤其具有挑戰(zhàn)性，Ioffe說他的團隊必須為公司的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越受歡迎的透鏡非球面光學(xué)元件時。

　　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?shù)姆瓷浠蚩狗瓷涮匦?。Hauschild說，涂層通常是設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)。因為它們非常薄，它們可能會斷裂并且隨著時間的推移會改變材料特性。因此，選擇或應(yīng)用不當?shù)耐繉涌赡軙窒麨樯a(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下獲得最佳性能。“對于紫外線，通常使用三種或四種材料，而對于紅外線則有一組非常不同的三種或四種材料。”Dabney說道。

　　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。“你可以添加越來越多的層來提高鏡子的反射率，但是當你添加涂層時，它們也會吸收，所以你會失去一些光的吸收，”Ioffe說，“吸收與反射和透射之間總是需要平衡。”

　　同時，廠商必須仔細設(shè)計多層涂層，以避免在層與層之間的界面處形成電場強度峰值，這會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

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

　　缺乏通用標準對于評估激光誘導(dǎo)損傷閾值(LIDT)尤其成問題，這是一種描述給定組件在經(jīng)歷可測量損傷之前可以承受的最大能量水平的指標。有幾個ISO標準適用，但這些標準不足以真正創(chuàng)建一致的激光損傷閾值測試，Dabney表示需要制定更詳細的測試標準。

　　Hauschild進一步解釋說，這些標準可能不太適合評估光學(xué)器件的LIDT，因為新的激光器設(shè)計繼續(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，另外激光束的波長和功率也會對其產(chǎn)生影響。但其他因素也會發(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改變閾值。其中一些因素可以進行數(shù)學(xué)建模，但準確的 LIDT評估最終需要直接測試組件本身。

　　這就是缺乏LIDT測試標準化的問題所在。目前，ISO標準將LIDT定性為“明顯損壞”。但這為聲名狼藉的制造商打開了大門，這些制造商通過將損壞評估程序保持在膚淺的水平來銷售具有不切實際的高LIDT光學(xué)元件。Hauschild表示，他的團隊通常以遠低于LIDT的功率密度運行其激光系統(tǒng)，以確保長期穩(wěn)定性。

　　明智地使用

　　用戶必須小心設(shè)計他們的激光系統(tǒng)，以免系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致無法挽回的災(zāi)難。Dabney說，其中一個大問題是，如果人們沒有正確設(shè)置光束線，可能會得到一個反饋回路來消除激光，一個組件的故障可能導(dǎo)致光束被鏡子意外地反射回光源。這可能會讓100美元的零件損壞10萬美元的激光器設(shè)備。

　　激光系統(tǒng)及其組件的日常維護和監(jiān)控非常重要。在材料加工中，高功率激光器的保護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)測系統(tǒng)溫度或能夠感知可能預(yù)測即將發(fā)生的組件故障的意外光散射跡象的探測器。

　　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讓終端用戶承擔維護、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)用實際需要多少功率。

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