Els làsers d'alta potència s'han convertit en una eina estàndard i omnipresent en moltes aplicacions industrials, en part a causa de l'energia controlada amb precisió que proporcionen. Però "alta potència" pot ser un terme difícil d'analitzar i sovint requereix un cert context per definir-lo.
Les aplicacions làser són d'ajuda limitada a l'hora de determinar llindars de sortida d'alta potència, ja que els paràmetres del làser poden anar des d'un feix de 10-watts en una impressora 3D fins a un feix de 100-quilowatts generat per un làser de satèl·lit. El que constitueix una funcionalitat rica per a una aplicació gairebé mai es documenta en una altra. Quan s'aplica a làsers de diferents longituds d'ona, quan es compara el funcionament d'ona contínua i polsada, i fins i tot quan es comparen fonts d'estat sòlid, de gas o de cristall dopat, "alta potència" es converteix en un terme relatiu.
El mateix feix que pot penetrar l'acer o pot transmetre senyals de telecomunicacions a llargues distàncies també pot causar danys greus als components òptics sensibles que guien i donen forma a la llum en el marc d'un sistema làser. "Has de controlar fins a l'últim detall, o aquests petits detalls seran on comença el dany, i el següent que saps, has cremat mig milió de dòlars en components", diu Tim McComb, gerent de desenvolupament empresarial global. a Coherent.
Control de qualitat
Es necessiten un gran nombre de components òptics per garantir que el raig làser aconsegueix la forma, mida i intensitat desitjades. A més de les lents utilitzades per enfocar i col·limar el feix, els sistemes làser solen incloure miralls, polaritzadors i divisors de feix. Cadascun d'aquests components ha de ser fabricat i mecanitzat amb precisió, i després tractat amb recobriments especialitzats per garantir que el producte final tingui les característiques adequades d'absorció, transmissió i reflexió de la llum. Sense un seguiment acurat, cada etapa de fabricació, polit, recobriment i proves ofereix una àmplia oportunitat per a defectes o errors que poden provocar una fallada del sistema.
Un component pot tenir àrees defectuoses que essencialment creen enllaços febles en tot el conjunt òptic. Com que el defecte absorbeix energia que s'ha de transmetre o reflectir, l'eventual fallada d'aquest component es pot propagar a la resta del sistema, diu Matthew Dabney, enginyer làser principal d'Altamont Optics.
L'enlluernament del làser també pot causar problemes mitjançant la deformació de l'òptica induïda tèrmicament. Fins i tot si aquests efectes no destrueixen immediatament l'òptica afectada, poden provocar canvis en l'índex de refracció del material, que poden provocar una sortida làser distorsionada o subòptima. Com a resultat, els fabricants de làser han de tenir en compte una sèrie de consideracions a l'hora d'especificar components òptics per a un sistema làser concret.
El primer és l'elecció del material. La sílice fosa és un vidre molt ben caracteritzat amb una absorció molt baixa i fàcil de modelar i polir, fet que sovint el converteix en la millor opció per a molts components òptics transmissius i reflectants.
"Sempre intentem utilitzar sílice fosa quan fem aplicacions d'alta potència", va dir Dirk Hauschild, director d'investigació i desenvolupament d'òptica làser a Focuslight. "Obteu el nivell de qualitat més alt i els recobriments de sílice fosa tenen el llindar de danys més alt".
Tanmateix, alguns sistemes làser requereixen alternatives més especialitzades. Els làsers de lents amb CO 2 d'alta potència solen estar fets de selenur de zinc, que presenta un fort rendiment en infrarojos forts, però pot ser més difícil d'utilitzar. Com altres materials òptics, el seleniur de zinc s'ha de modelar i allisar amb precisió. Els petits defectes superficials poden provocar problemes de rendiment o, pitjor, acumulació localitzada a causa de l'energia i la calor del làser. Hauschild diu que això pot estresar el substrat, cosa que pot provocar que qualsevol recobriment s'esquerdi i cremi. "Per a aplicacions d'alta potència, un sol defecte pot destruir tota l'òptica".
L'eliminació d'aquests defectes requereix processos minuciosos de rectificat i poliment, seguits d'un control de qualitat acurat, diu Emiliano Ioffe, responsable d'enginyeria i desenvolupament de processos IR d'Ophir, l'empresa de la qual sol orientar-se a valors de rugositat superficial inferiors a 1 nm en els seus components, sense que es permetin rascades ni esquerdes. . Això és especialment difícil quan s'utilitzen materials de sílice no fosos, i Ioffe diu que el seu equip va haver de desenvolupar un procés de polit especialitzat per a l'òptica de seleniur de zinc utilitzada en els làsers de CO 2 de l'empresa, especialment quan es preparen materials per a òptiques asfèriques que s'han convertit en lents cada cop més populars. .
Aquestes superfícies perfectament llises s'han de recobrir de manera uniforme amb recobriments especialitzats que imparteixen les propietats reflectants o antireflectants adequades als components. Hauschild diu que els recobriments solen ser l'enllaç més feble del disseny. Com que són tan prims, es poden fracturar i poden canviar les propietats dels materials amb el temps. Com a resultat, els recobriments mal seleccionats o aplicats poden negar el treball dur que suposa produir la lent o mirall perfecte.
A més de les seves propietats d'absorció i reflexió, els recobriments s'han de seleccionar per obtenir un rendiment òptim a longituds d'ona específiques. "Per als ultraviolats, normalment s'utilitzen tres o quatre materials, mentre que per als infrarojos, hi ha un conjunt molt diferent de tres o quatre materials", diu Dabney.
En molts casos, els components han de rebre múltiples capes de diferents recobriments per millorar el rendiment òptic desitjat, però aquesta millora pot requerir compensacions. "Podeu afegir més i més capes per millorar la reflectivitat del mirall, però quan afegiu capes, també absorbeixen, de manera que perds part de la llum absorbida", diu Ioffe. "Sempre hi ha un equilibri entre l'absorció i la reflexió i la transmissió".
Els recobriments multicapa també s'han de dissenyar acuradament per evitar pics de força del camp elèctric a la interfície entre capes, que poden comprometre la integritat del recobriment i, en última instància, conduir a la fallada dels components.
Trobar dits significatius
Mantenir un alt nivell de control de qualitat mentre es fabriquen a escala comercial mai és fàcil. Per a algunes mètriques de rendiment bàsiques, com ara l'absorció, no hi ha estàndards universals que les empreses puguin utilitzar. "No podeu comprar una mostra amb una taxa d'absorció específica com a sistema de calibratge mestre", diu Ioffe. "Hem desenvolupat i construït sistemes a casa per mesurar l'absorció, el canvi de fase, la reflectància i la transmitància en diferents angles i diferents polaritzacions".
La manca d'un estàndard universal és particularment problemàtica per avaluar el llindar de dany induït per làser (LIDT), una mètrica que descriu el nivell d'energia màxim que pot suportar un determinat component abans de patir danys mesurables.
"Hi ha uns quants estàndards ISO [Organització Internacional per a l'Estandardització] que s'apliquen, però aquests no són suficients per crear realment una prova de llindar de dany làser coherent", diu Dabney, membre de la iniciativa de l'American National Standards Institute (ANSI) per desenvolupar més. estàndards de prova detallats.
Hauschild diu, a més, que aquests estàndards poden no ser adequats per avaluar el LIDT de l'òptica, ja que els nous dissenys làser continuen impulsant els límits del rendiment de sortida.
LIDT es veu directament afectat per la composició, qualitat i recobriments de les pròpies òptiques, així com per la longitud d'ona i la potència dels feixos que afecten. Però també entren en joc altres factors. Per exemple, la mida i la forma del feix poden canviar el llindar en funció de la quantitat d'energia que es distribueix en una superfície determinada del component. Alguns d'aquests factors es poden modelar matemàticament, però una avaluació LIDT precisa en última instància requereix una prova directa del propi component.
Aquí és on entra en joc la manca d'estandardització en les proves LIDT. Actualment, diu Dabney, l'estàndard ISO defineix el LIDT com "visiblement danyat. Però això obre la porta als fabricants notoris per vendre òptiques amb LIDT poc realistes mantenint els procediments d'avaluació de danys superficials". No et recompensen per semblar que t'estàs esforçant més, en realitat estàs penalitzat", diu. Com a resultat, LIDT s'hauria d'utilitzar com a guia informativa, no com a objectiu per a condicions operatives rutinàries. Hauschild diu que el seu equip normalment fa funcionar els seus sistemes làser a densitats de potència molt per sota del LIDT per garantir l'estabilitat a llarg termini.
Amb un gran poder comporta una gran responsabilitat, i els usuaris han de dissenyar els seus sistemes làser amb cura perquè un component fallit no provoqui un desastre. "Un dels grans problemes és que si la gent no configura correctament la seva línia de llum, podeu obtenir un bucle de retroalimentació per eliminar el làser", diu Dabney. Per exemple, un component que funciona mal pot fer que el feix es reflecteixi accidentalment a la font de llum per un mirall.
"Podria costar 100 $000 a làser perquè només hi ha peces de 100 $", diu Dabney. Per tant, les fonts làser s'han d'aïllar per evitar aquests esdeveniments de retroreflexió.
El manteniment i la supervisió rutinàries del sistema làser i els seus components també són crítics. Per exemple, en aplicacions de processament de materials, les finestres de protecció dels làsers d'alta potència tendeixen a acumular contaminants del material que s'està processant i s'han de substituir periòdicament per evitar danys que puguin permetre que aquests mateixos contaminants s'infiltrin al propi làser. A més d'utilitzar el làser per sota de la potència màxima per minimitzar l'estrès al sistema, Hauschild recomana utilitzar detectors que puguin controlar la temperatura del sistema o detectar proves de dispersió de llum inesperada que pugui indicar una fallada imminent del component.
Els sistemes làser d'alta potència no són barats. Però és probable que els esforços per retallar els components fungibles tornin a perseguir l'usuari final, que assumeix el cost del manteniment, la reparació i la substitució del sistema.
"Si ets impulsat pel poder, llavors pagaràs per això", diu Dabney, però també assenyala que això hauria de fer que els consumidors de làser pensin dues vegades sobre la quantitat d'energia que necessiten realment per a la seva aplicació particular. "Si pots mantenir-te per sota d'un cert nivell, llavors pots estalviar una mica", va dir.
Tot i que certs sistemes làser, sens dubte, continuaran empènyer els límits del poder, els dissenyats per a aplicacions de defensa o investigació de fusió, per exemple, Hauschild va dir que també veu potencial per a solucions alternatives per a alguns usuaris de la indústria. En alguns casos, per exemple, diversos làsers que funcionen amb una potència màxima més baixa poden proporcionar una productivitat similar a un cost més baix. "La qüestió no és només si hem de continuar augmentant el poder, sinó també com l'utilitzem d'una manera eficient", va dir.
