أصبح الليزر عالي الطاقة أداة قياسية وواسعة الانتشار في العديد من التطبيقات الصناعية ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى الطاقة التي يتم التحكم فيها بدقة التي توفرها. لكن "القوة العالية" يمكن أن يكون مصطلحًا يصعب تحليله ، وغالبًا ما يتطلب تحديد سياق معين.
تعتبر تطبيقات الليزر ذات فائدة محدودة عندما يتعلق الأمر بتحديد عتبات خرج الطاقة العالية ، حيث يمكن أن تتراوح معلمات الليزر من شعاع 10- واط في طابعة ثلاثية الأبعاد إلى شعاع 100- كيلووات تم إنشاؤه بواسطة ليزر القمر الصناعي. نادرًا ما يتم توثيق ما يشكل وظيفة ثرية لتطبيق ما في تطبيق آخر. عند تطبيقها على أشعة الليزر ذات الأطوال الموجية المختلفة ، عند مقارنة عملية الموجة المستمرة والنبضية ، وحتى عند مقارنة مصادر الحالة الصلبة أو الغازية أو البلورية المخدرة ، تصبح "القدرة العالية" مصطلحًا نسبيًا.
يمكن للشعاع نفسه الذي يمكنه اختراق الفولاذ أو يمكنه ترحيل إشارات الاتصالات عبر مسافات طويلة أن يتسبب أيضًا في أضرار جسيمة للمكونات البصرية الحساسة التي توجه الضوء وتشكله في إطار نظام الليزر. يقول تيم ماكومب ، مدير تطوير الأعمال العالمية: "عليك التحكم في كل التفاصيل الصغيرة الأخيرة ، أو ستكون تلك التفاصيل الصغيرة هي المكان الذي يبدأ منه الضرر - والشيء التالي الذي تعرفه ، لقد حرقت نصف مليون دولار من المكونات". في متماسك.
رقابة جودة
هناك حاجة إلى عدد كبير من المكونات الضوئية للتأكد من أن شعاع الليزر يحقق الشكل والحجم والشدة المطلوبين. بالإضافة إلى العدسات المستخدمة لتركيز الحزمة وتوحيدها ، تحتوي أنظمة الليزر عادةً على مرايا ومستقطبات ومقسمات الأشعة. يجب أن يتم تصنيع كل من هذه المكونات وتشكيلها بدقة ، ومن ثم معالجتها بطلاء متخصص للتأكد من أن المنتج النهائي يتمتع بخصائص امتصاص الضوء ونقله وانعكاسه المناسبة. بدون مراقبة دقيقة ، توفر كل مرحلة من مراحل التصنيع والتلميع والطلاء والاختبار فرصة كبيرة للعيوب أو الأخطاء التي يمكن أن تؤدي إلى فشل النظام.
يمكن أن يحتوي المكون على مناطق معيبة تؤدي بشكل أساسي إلى إنشاء روابط ضعيفة في التجميع البصري بأكمله. نظرًا لأن الخلل يمتص الطاقة التي يجب أن تنتقل أو تنعكس ، فإن الفشل النهائي لهذا المكون يمكن أن ينتشر إلى بقية النظام ، كما يقول ماثيو دابني ، مهندس الليزر الرئيسي في Altamont Optics.
يمكن أن يتسبب وهج الليزر أيضًا في حدوث مشكلات من خلال التشوه الناتج عن الحرارة للبصريات. حتى إذا لم تدمر هذه التأثيرات البصريات المصابة على الفور ، فإنها يمكن أن تسبب تغييرات في معامل الانكسار للمادة ، مما قد يؤدي إلى إخراج ليزر مشوه أو دون المستوى الأمثل. نتيجة لذلك ، يحتاج مصنعو الليزر إلى إدراك عدد من الاعتبارات عند تحديد المكونات الضوئية لنظام ليزر معين.
الأول هو اختيارهم للمواد. السيليكا المنصهرة عبارة عن زجاج يتميز جيدًا بامتصاص منخفض جدًا ويسهل تشكيله وتلميعه ، مما يجعله غالبًا الخيار الأفضل للعديد من المكونات الضوئية الناقلة والعاكسة.
قال Dirk Hauschild ، مدير أبحاث وتطوير بصريات الليزر في Focuslight: "نحاول دائمًا استخدام السيليكا المنصهرة عندما نقوم بتطبيقات عالية الطاقة". "تحصل على أعلى مستوى من الجودة ، والطلاءات الموجودة على السيليكا المنصهرة لها أعلى عتبة ضرر."
ومع ذلك ، تتطلب بعض أنظمة الليزر بدائل أكثر تخصصًا. غالبًا ما تُصنع ليزر العدسات في ثاني أكسيد الكربون عالي الطاقة من سيلينيد الزنك ، والذي يُظهر أداءً قويًا في الأشعة تحت الحمراء القوية ، ولكن قد يكون استخدامه أكثر صعوبة. مثل المواد البصرية الأخرى ، يجب تشكيل وتنعيم سيلينيد الزنك بدقة. يمكن أن تؤدي عيوب السطح الصغيرة إلى مشاكل في الأداء ، أو الأسوأ من ذلك ، تراكم موضعي بسبب طاقة وحرارة الليزر ، ويقول هوشيلد إن هذا يمكن أن يضغط على الركيزة ، مما قد يتسبب في تشقق أي طلاء وحرقه. "بالنسبة للتطبيقات عالية الطاقة حقًا ، يمكن أن يؤدي عيب واحد إلى تدمير البصريات بالكامل."
يتطلب القضاء على مثل هذه العيوب عمليات طحن وتلميع دقيقة ، تليها مراقبة جودة دقيقة ، كما يقول إميليانو إيفي ، مدير تطوير وهندسة عمليات IR في Ophir ، والذي تستهدف شركته عادةً قيم خشونة السطح التي تقل عن 1 نانومتر على مكوناتها ، مع عدم السماح بالخدوش أو الحفر. . هذا يمثل تحديًا بشكل خاص عند استخدام مواد السيليكا غير المنصهرة ، ويقول Ioffe إن فريقه كان عليه تطوير عملية تلميع متخصصة لبصريات سيلينيد الزنك المستخدمة في ليزر ثاني أكسيد الكربون للشركة ، خاصة عند تحضير المواد للبصريات شبه الكروية التي أصبحت عدسات شائعة بشكل متزايد .
يجب بعد ذلك طلاء هذه الأسطح الملساء بشكل موحد بطبقات متخصصة تنقل الخصائص الانعكاسية أو المضادة للانعكاس المناسبة للمكونات. يقول hauschild أن الطلاءات غالبًا ما تكون الحلقة الأضعف في التصميم. نظرًا لكونها رقيقة جدًا ، فإنها يمكن أن تتكسر ، ويمكنها تغيير خصائص المواد بمرور الوقت. نتيجة لذلك ، يمكن أن تؤدي الطلاءات غير المختارة أو المطبقة بشكل سيء إلى إبطال العمل الشاق الذي يؤدي إلى إنتاج عدسة أو مرآة مثالية.
بالإضافة إلى خصائص الامتصاص والانعكاس ، يجب اختيار الطلاءات لتحقيق الأداء الأمثل بأطوال موجية محددة. يقول Dabney: "بالنسبة للأشعة فوق البنفسجية ، تستخدم عادةً ثلاث أو أربع مواد ، بينما بالنسبة للأشعة تحت الحمراء ، هناك مجموعة مختلفة جدًا من ثلاث أو أربع مواد".
في كثير من الحالات ، يجب أن تتلقى المكونات طبقات متعددة من الطلاءات المختلفة لتحسين الأداء البصري المطلوب ، ولكن هذا التحسين قد يتطلب مقايضات. يقول Ioffe: "يمكنك إضافة المزيد والمزيد من الطبقات لتحسين انعكاس المرآة ، ولكن عندما تضيف طبقات ، فإنها تمتص أيضًا ، وبالتالي تفقد بعض الضوء الممتص". "هناك دائمًا توازن بين الامتصاص والانعكاس والانتقال."
يجب أيضًا تصميم الطلاءات متعددة الطبقات بعناية لتجنب حدوث ارتفاعات في شدة المجال الكهربائي في الواجهة بين الطبقات ، مما قد يضر بسلامة الطلاء ويؤدي في النهاية إلى فشل المكونات.
البحث عن أصابع ذات معنى
إن الحفاظ على مستوى عالٍ من مراقبة الجودة أثناء التصنيع على نطاق تجاري ليس بالأمر السهل أبدًا. بالنسبة لبعض مقاييس الأداء الأساسية ، مثل الامتصاص ، لا توجد معايير عالمية يمكن للشركات استخدامها. يقول Ioffe: "لا يمكنك شراء عينة بمعدل امتصاص محدد كنظام معايرة رئيسي". "لقد قمنا بتطوير وبناء أنظمة داخلية لقياس الامتصاص وانزياح الطور والانعكاس والنفاذية في زوايا مختلفة واستقطابات مختلفة."
يمثل عدم وجود معيار عالمي مشكلة خاصة لتقييم عتبة الضرر الناجم عن الليزر (LIDT) ، وهو مقياس يصف الحد الأقصى لمستوى الطاقة الذي يمكن أن يتحمله مكون معين قبل تعرضه لضرر يمكن قياسه.
يقول Dabney ، عضو في مبادرة المعهد القومي الأمريكي للمعايير (ANSI) لتطوير المزيد معايير اختبار مفصلة.
يقول Hauschild كذلك أن هذه المعايير قد لا تكون مناسبة تمامًا لتقييم LIDT للبصريات ، حيث تستمر تصميمات الليزر الجديدة في دفع حدود أداء الإخراج.
يتأثر LIDT بشكل مباشر بالتركيب والجودة والطلاء للبصريات نفسها ، بالإضافة إلى الطول الموجي وقوة الحزم التي تؤثر عليها. لكن هناك عوامل أخرى تلعب دورها. على سبيل المثال ، يمكن أن يغير حجم وشكل الحزمة العتبة اعتمادًا على مقدار الطاقة الموزعة على مساحة سطح معينة للمكون. يمكن نمذجة بعض هذه العوامل رياضيًا ، لكن التقييم الدقيق لـ LIDT يتطلب في النهاية اختبارًا مباشرًا للمكون نفسه.
هذا هو المكان الذي يأتي فيه الافتقار إلى التوحيد القياسي في اختبار LIDT. حاليًا ، كما يقول Dabney ، يعرف معيار ISO LIDT بأنه "تالف بشكل واضح. ولكن هذا يفتح الباب أمام الشركات المصنعة سيئة السمعة لبيع البصريات ذات LIDTs عالية بشكل غير واقعي من خلال الحفاظ على إجراءات تقييم الضرر سطحية." لا تحصل على مكافأة إذا بدت وكأنك تحاول بجهد أكبر - فأنت في الواقع تُعاقب "، كما يقول. ونتيجة لذلك ، يجب استخدام LIDT كدليل إعلامي ، وليس هدفًا لظروف التشغيل الروتينية. يقول Hauschild فريقه عادةً ما تقوم بتشغيل أنظمة الليزر الخاصة بها بكثافة طاقة أقل بكثير من LIDT لضمان الاستقرار على المدى الطويل.
مع القوة الكبيرة تأتي مسؤولية كبيرة ، ويجب على المستخدمين تصميم أنظمة الليزر الخاصة بهم بعناية حتى لا يتسبب المكون الفاشل في كارثة. يقول Dabney: "إحدى المشكلات الكبيرة هي أنه إذا لم يقم الأشخاص بإعداد خط الأشعة الخاص بهم بشكل صحيح ، يمكنك الحصول على حلقة تغذية مرتدة للتخلص من الليزر". على سبيل المثال ، قد يتسبب أحد المكونات المعطلة في انعكاس الشعاع بطريق الخطأ إلى مصدر الضوء بواسطة المرآة.
يقول Dabney: "قد يكلفك الليزر 100 دولار ، 000 لأن هناك 100 دولار فقط من قطع الغيار". لذلك ، يجب عزل مصادر الليزر لمنع أحداث الانعكاس الخلفي هذه.
تعد الصيانة الدورية ومراقبتها لنظام الليزر ومكوناته أمرًا بالغ الأهمية أيضًا. على سبيل المثال ، في تطبيقات معالجة المواد ، تميل النوافذ الواقية في أجهزة الليزر عالية الطاقة إلى تراكم الملوثات من المواد التي تتم معالجتها ، ويجب استبدالها بشكل دوري لمنع الضرر الذي قد يسمح لهذه الملوثات نفسها بالتسرب إلى الليزر نفسه. بالإضافة إلى تشغيل الليزر تحت طاقة الذروة لتقليل الضغط على النظام ، يوصي Hauschild باستخدام أجهزة الكشف التي يمكنها مراقبة درجة حرارة النظام أو الشعور بالأدلة على تشتت الضوء غير المتوقع الذي قد يشير إلى فشل وشيك للمكون.
أنظمة الليزر عالية الطاقة ليست رخيصة. ولكن من المرجح أن تعود الجهود المبذولة لقطع الطريق على المكونات المستهلكة لتطارد المستخدم النهائي ، الذي يتحمل تكلفة صيانة النظام وإصلاحه واستبداله.
يقول Dabney: "إذا كنت مدفوعًا بالقوة ، فستدفع مقابلها" ، لكنه يشير أيضًا إلى أن هذا يجب أن يدفع مستهلكي الليزر إلى التفكير مرتين في مقدار الطاقة التي يحتاجونها بالفعل لتطبيقهم الخاص. وقال: "إذا كان بإمكانك البقاء دون مستوى معين ، فيمكنك التوفير قليلاً".
في حين أن بعض أنظمة الليزر ستستمر بلا شك في دفع حدود الطاقة - تلك المصممة للتطبيقات الدفاعية أو أبحاث الاندماج ، على سبيل المثال - قال Hauschild إنه يرى أيضًا إمكانية إيجاد حلول بديلة لبعض مستخدمي الصناعة. في بعض الحالات ، على سبيل المثال ، يمكن أن توفر أجهزة الليزر المتعددة التي تعمل بطاقة ذروة منخفضة إنتاجية مماثلة بتكلفة أقل. وقال: "السؤال ليس فقط ما إذا كان ينبغي علينا الاستمرار في زيادة الطاقة ، ولكن أيضًا كيف نستخدمها بطريقة فعالة".
