高功率激光器已成為許多工業(yè)應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)且無處不在的工具，部分原因在于它們提供的精確可控能量。但是“高功率”可能是一個難以解析的術(shù)語，并且通常需要一些背景來定義。

高功率激光器需要專門設(shè)計的反射鏡、擴束器、濾光片和透鏡，它們可以引導(dǎo)和整形光束而不會在過程中受到損壞。由愛特蒙特光學(xué)提供。

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 10 瓦光束到衛(wèi)星激光器產(chǎn)生的 100 千瓦光束。對于一個應(yīng)用程序來說，構(gòu)成豐富功能的東西幾乎不會在另一個應(yīng)用程序中被記錄下來。當(dāng)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(yán)重破壞。“你必須控制最后的每一個小細節(jié)，否則這些小細節(jié)將成為損害開始的地方——接下來你知道，你已經(jīng)燒掉了 50 萬美元的組件，”相干公司全球業(yè)務(wù)發(fā)展部的經(jīng)理 Tim McComb 說。

質(zhì)量控制

需要大量光學(xué)元件來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(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。每個組件都必須經(jīng)過精密制造和加工，然后用專門的涂層進行處理，以確保最終產(chǎn)品具有適當(dāng)?shù)墓馕�收、透射和反射特性。如果不仔細監(jiān)控，制造、拋光、涂層和測試的每個階段都會為缺陷或錯誤提供大量機會，從而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

一位工程師拿著一個帶有集成微透鏡系統(tǒng)的光束整形模塊，用于高功率紫外激光源。由Focuslight提供。

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)器件，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。

首先是他們對材料的選擇。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。

幾個光學(xué)元件表面上激光引起的損傷的顯微圖像。由愛特蒙特光學(xué)提供。

“當(dāng)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。“您可以獲得最高質(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 CO 2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)出強大的性能，但使用起來可能更困難。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，或者更糟糕的是，由于激光的能量和熱量的局部積累。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 IR 工藝開發(fā)和工程經(jīng)理 Emiliano Ioffe 表示，他的公司通常的目標(biāo)是其組件的表面粗糙度值小于 1 nm，不允許出現(xiàn)劃痕或挖坑。這在使用非熔融石英材料時尤其具有挑戰(zhàn)性，Ioffe 表示，他的團隊必須為公司 CO 2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，尤其是在制備已成為越來越受歡迎的透鏡的非球面光學(xué)元件時材料。

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)姆瓷浠蚩狗瓷涮匦浴�Hauschild 說，涂層通常是設(shè)計的最薄弱環(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它們會改變材料特性。因此，選擇或應(yīng)用不當(dāng)?shù)耐繉涌赡軙�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，”達布尼說。

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(dāng)你添加層時，它們也會吸收，所以你會失去一些吸收的光，”Ioffe 說。“吸收與反射和透射之間總是存在平衡。”

還必須仔細設(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(biāo)

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(biāo)，例如吸收，沒有可供公司使用的通用標(biāo)準(zhǔn)。“你不能購買具有特定吸收率的樣品作為主校準(zhǔn)系統(tǒng)，”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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)。

“有幾個 ISO [國際標(biāo)準(zhǔn)化組織] 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試，”美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會 (ANSI) 倡議的成員達布尼說制定更詳細的測試標(biāo)準(zhǔn)。

Hauschild 進一步表示，這些標(biāo)準(zhǔn)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)量和涂層以及它們影響的光束的波長和功率的影響。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)在組件的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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化的問題所在。目前，Dabney 說，ISO 標(biāo)準(zhǔn)將 LIDT 定義為“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高的 LIDT 的光學(xué)元件。“你不會因為看起來更努力而得到獎勵——你實際上是受到了懲罰，”他說。因此，LIDT 應(yīng)用作信息指南，而不是常規(guī)操作條件的目標(biāo)。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。

明智地使用功率

強大的功率伴隨著巨大的責(zé)任，用戶必須小心設(shè)計他們的激光系統(tǒng)，以免出現(xiàn)故障的組件不會造成災(zāi)難。“其中一個大問題是，如果人們沒有正確設(shè)置他們的光束線，你可能會得到一個反饋回路來消除激光，”達布尼說。例如，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。

Edmund Optics 的首席激光工程師 Matthew Dabney 在專門設(shè)計的激光實驗室中測試光學(xué)元件的激光誘導(dǎo)損傷閾值。由愛特蒙特光學(xué)提供。

“這可能會花掉你 100,000 美元的激光，因為只有 100 美元的零件，”達布尼說。因此，應(yīng)隔離激光源以防止發(fā)生此類背反射事件。

激光系統(tǒng)及其組件的日常維護和監(jiān)控也很關(guān)鍵。例如，在材料加工應(yīng)用中，高功率激光器上的防護窗容易積聚被加工材料產(chǎn)生的污染物，必須定期更換防護窗以防止可能使這些相同污染物滲入激光器本身的損壞。除了在峰值功率以下運行激光器以最大程度地減少對系統(tǒng)的壓力外，Hauschild 建議使用可以監(jiān)控系統(tǒng)溫度或可以感知證據(jù)的探測器可能預(yù)示即將發(fā)生的組件故障的意外光散射。

以晶圓規(guī)模生產(chǎn)的各種微透鏡（上）。高功率激光器結(jié)合了具有不同尺寸和焦距的這種微透鏡的組合，以實現(xiàn)所需的光束輸出。用于塑造高功率光束的均質(zhì)器（底部）由 Focuslight 提供。

高功率激光系統(tǒng)并不便宜。但是，在消耗性組件上偷工減料的努力很可能會回饋最終用戶，最終用戶承擔(dān)維護、維修和更換系統(tǒng)的成本。

“如果你被功率驅(qū)動，那么你就會為此付出代價，”達布尼說，但他也指出，這應(yīng)該促使激光消費者三思而后行，考慮他們的特定應(yīng)用實際需要多少功率。“如果你能保持在一定水平以下，那么你可以節(jié)省一點，”他說。

盡管某些激光系統(tǒng)無疑將繼續(xù)推動功率極限——例如，那些為國防應(yīng)用或核聚變研究而設(shè)計的系統(tǒng)——Hauschild 表示，他也看到了一些行業(yè)用戶的替代解決方案的潛力。例如，在某些情況下，以較低峰值功率運行的多個激光器可以以較低的成本提供類似的生產(chǎn)率。“問題不僅在于我們是否應(yīng)該繼續(xù)擴大電力規(guī)模，還在于我們?nèi)绾我杂行У姆绞绞褂秒娏Γ?rdquo;他說。

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