เลเซอร์กำลังสูงได้กลายเป็นเครื่องมือมาตรฐานและแพร่หลายในงานอุตสาหกรรมหลายประเภท ส่วนหนึ่งเป็นเพราะพลังงานที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำ แต่คำว่า "พลังงานสูง" อาจเป็นคำที่ยากในการแยกวิเคราะห์ และมักต้องใช้บริบทบางอย่างในการกำหนด
การใช้งานเลเซอร์มีความช่วยเหลือจำกัดเมื่อต้องพิจารณาเกณฑ์เอาต์พุตกำลังสูง เนื่องจากพารามิเตอร์เลเซอร์มีตั้งแต่ 10-ลำแสงวัตต์ในเครื่องพิมพ์ 3 มิติไปจนถึง 100-กิโลวัตต์ที่เกิดจากเลเซอร์ดาวเทียม สิ่งที่ประกอบขึ้นเป็นฟังก์ชันการทำงานที่หลากหลายสำหรับแอปพลิเคชันหนึ่งๆ แทบจะไม่ได้รับการบันทึกไว้ในอีกแอปพลิเคชันหนึ่ง เมื่อนำไปใช้กับเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นต่างกัน เมื่อเปรียบเทียบการทำงานแบบคลื่นต่อเนื่องและการทำงานแบบพัลซิ่ง และแม้กระทั่งเมื่อเปรียบเทียบแหล่งกำเนิดของแข็ง ก๊าซ หรือผลึกเจือ "กำลังสูง" จะกลายเป็นคำที่สัมพันธ์กัน
ลำแสงแบบเดียวกันที่สามารถทะลุทะลวงเหล็กหรือสามารถถ่ายทอดสัญญาณโทรคมนาคมในระยะทางไกลยังสามารถสร้างความเสียหายอย่างร้ายแรงต่อส่วนประกอบออปติกที่ละเอียดอ่อนซึ่งนำทางและสร้างแสงภายในกรอบของระบบเลเซอร์ “คุณต้องควบคุมทุกรายละเอียดเล็ก ๆ น้อย ๆ มิฉะนั้นรายละเอียดเล็ก ๆ น้อย ๆ เหล่านั้นจะเป็นจุดเริ่มต้นของความเสียหาย และสิ่งต่อไปที่คุณรู้ คุณได้เผาผลาญส่วนประกอบไปแล้วครึ่งล้านดอลลาร์” ทิม แมคคอมบ์ ผู้จัดการฝ่ายพัฒนาธุรกิจระดับโลกกล่าว ที่โคเฮเรนท์.
ควบคุมคุณภาพ
จำเป็นต้องมีส่วนประกอบออปติกจำนวนมากเพื่อให้แน่ใจว่าลำแสงเลเซอร์จะได้รูปร่าง ขนาด และความเข้มที่ต้องการ นอกเหนือจากเลนส์ที่ใช้ในการโฟกัสและปรับลำแสงให้ใกล้เคียงกัน ระบบเลเซอร์โดยทั่วไปประกอบด้วยกระจก โพลาไรเซอร์ และตัวแยกลำแสง ส่วนประกอบเหล่านี้แต่ละชิ้นต้องได้รับการผลิตและกลึงอย่างแม่นยำ จากนั้นจึงได้รับการเคลือบผิวแบบพิเศษเพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายมีลักษณะการดูดกลืนแสง การส่งผ่าน และการสะท้อนแสงที่เหมาะสม หากไม่มีการตรวจสอบอย่างรอบคอบ แต่ละขั้นตอนของการผลิต การขัด การเคลือบ และการทดสอบจะมีโอกาสเพียงพอสำหรับข้อบกพร่องหรือข้อผิดพลาดที่อาจนำไปสู่ความล้มเหลวของระบบ
ส่วนประกอบอาจมีส่วนที่บกพร่องซึ่งสร้างจุดเชื่อมโยงที่อ่อนแอในส่วนประกอบออปติกทั้งหมด Matthew Dabney หัวหน้าวิศวกรเลเซอร์ของ Altamont Optics กล่าวว่า เนื่องจากจุดบกพร่องจะดูดซับพลังงานที่ควรจะส่งผ่านหรือสะท้อนกลับ ความล้มเหลวในที่สุดของส่วนประกอบนั้นสามารถแพร่กระจายไปยังส่วนอื่นๆ ของระบบได้ Matthew Dabney หัวหน้าวิศวกรเลเซอร์ของ Altamont Optics กล่าว
แสงสะท้อนของเลเซอร์ยังสามารถทำให้เกิดปัญหาได้จากการเสียรูปที่เกิดจากความร้อนของออปติก แม้ว่าผลกระทบเหล่านี้จะไม่ทำลายออปติกที่ได้รับผลกระทบในทันที แต่ก็สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในดัชนีการหักเหของแสงของวัสดุ ซึ่งอาจส่งผลให้เอาต์พุตเลเซอร์ผิดเพี้ยนหรือต่ำกว่ามาตรฐาน เป็นผลให้ผู้ผลิตเลเซอร์จำเป็นต้องทราบข้อควรพิจารณาหลายประการเมื่อระบุส่วนประกอบออปติกสำหรับระบบเลเซอร์เฉพาะ
ประการแรกคือการเลือกใช้วัสดุ ซิลิกาหลอมรวมเป็นแก้วที่มีคุณสมบัติดีมาก มีการดูดซึมต่ำมาก และง่ายต่อการขึ้นรูปและขัดเงา ซึ่งมักจะทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับส่วนประกอบออปติคัลแบบส่องผ่านและสะท้อนแสง
Dirk Hauschild ผู้อำนวยการฝ่ายวิจัยและพัฒนาเลนส์เลเซอร์ของ Focuslight กล่าวว่า "เราพยายามใช้ซิลิกาผสมเสมอเมื่อเราใช้งานพลังงานสูง "คุณจะได้รับคุณภาพระดับสูงสุด และการเคลือบบนซิลิกาที่หลอมละลายมีเกณฑ์ความเสียหายสูงสุด"
อย่างไรก็ตาม ระบบเลเซอร์บางระบบต้องการทางเลือกที่พิเศษกว่านั้น เลนส์เลเซอร์ใน CO 2 กำลังสูงมักทำจากสังกะสี เซเลไนด์ ซึ่งแสดงประสิทธิภาพที่แข็งแกร่งในอินฟราเรดที่แรง แต่อาจใช้งานได้ยากกว่า เช่นเดียวกับวัสดุออพติคอลอื่นๆ สังกะสี เซเลไนด์จะต้องขึ้นรูปและปรับให้เรียบอย่างแม่นยำ ข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ ของพื้นผิวอาจนำไปสู่ปัญหาด้านประสิทธิภาพ หรือที่แย่กว่านั้นคือ การสะสมตัวเฉพาะที่เนื่องจากพลังงานและความร้อนของเลเซอร์ Hauschild กล่าวว่า สิ่งนี้สามารถกดดันพื้นผิว ซึ่งอาจทำให้สารเคลือบใดๆ แตกและไหม้ได้ "สำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานสูงจริงๆ ข้อบกพร่องเพียงจุดเดียวสามารถทำลายออปติกทั้งหมดได้"
Emiliano Ioffe ผู้จัดการฝ่ายพัฒนาและวิศวกรรมกระบวนการ IR ของ Ophir กล่าวว่าการขจัดข้อบกพร่องดังกล่าวต้องใช้กระบวนการขัดและขัดอย่างพิถีพิถัน ตามด้วยการควบคุมคุณภาพอย่างรอบคอบ Emiliano Ioffe ผู้จัดการฝ่ายพัฒนาและวิศวกรรมกระบวนการ IR ของ Ophir กล่าว ซึ่งโดยปกติแล้วบริษัทของเขากำหนดเป้าหมายค่าความหยาบผิวที่น้อยกว่า 1 นาโนเมตรบนส่วนประกอบต่างๆ โดยไม่อนุญาตให้มีรอยขีดข่วนหรือการเซาะร่อง . นี่เป็นความท้าทายอย่างยิ่งเมื่อใช้วัสดุซิลิกาที่ไม่หลอมละลาย และ Ioffe กล่าวว่าทีมของเขาต้องพัฒนากระบวนการขัดเงาแบบพิเศษสำหรับออปติกสังกะสีเซเลไนด์ที่ใช้ในเลเซอร์ CO 2 ของบริษัท โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเตรียมวัสดุสำหรับเลนส์แอสเฟียริกที่กลายเป็นเลนส์ที่ได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ .
พื้นผิวที่เรียบอย่างสมบูรณ์แบบเหล่านี้จะต้องได้รับการเคลือบอย่างสม่ำเสมอด้วยการเคลือบพิเศษที่ให้คุณสมบัติการสะท้อนแสงหรือป้องกันการสะท้อนแสงที่เหมาะสมแก่ส่วนประกอบต่างๆ hauschild กล่าวว่าการเคลือบมักเป็นจุดอ่อนที่สุดในการออกแบบ เนื่องจากมีความบางมาก จึงสามารถแตกหักได้ และสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของวัสดุได้เมื่อเวลาผ่านไป ผลที่ตามมาคือการเลือกหรือเคลือบผิวที่ไม่เหมาะสมสามารถลบล้างการทำงานหนักในการผลิตเลนส์หรือกระจกที่สมบูรณ์แบบได้
นอกเหนือจากคุณสมบัติการดูดซับและการสะท้อนแล้ว การเคลือบผิวต้องได้รับการคัดเลือกเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดที่ความยาวคลื่นเฉพาะ Dabney กล่าวว่า "สำหรับรังสีอัลตราไวโอเลต โดยทั่วไปแล้วจะใช้วัสดุสามหรือสี่ชนิด ในขณะที่อินฟราเรดจะมีวัสดุสามหรือสี่ชุดที่แตกต่างกันมาก" Dabney กล่าว
ในหลายกรณี ส่วนประกอบต่างๆ ต้องได้รับการเคลือบผิวที่แตกต่างกันหลายชั้นเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพออปติกที่ต้องการ แต่การปรับปรุงนั้นอาจต้องมีการแลกเปลี่ยน "คุณสามารถเพิ่มเลเยอร์มากขึ้นเรื่อย ๆ เพื่อปรับปรุงการสะท้อนแสงของกระจก แต่เมื่อคุณเพิ่มเลเยอร์ เลเยอร์เหล่านั้นจะดูดซับด้วย ดังนั้นคุณจึงสูญเสียแสงที่ถูกดูดกลืนไปบางส่วน" Ioffe กล่าว "มีความสมดุลเสมอระหว่างการดูดซับและการสะท้อนและการส่งผ่าน"
การเคลือบหลายชั้นต้องได้รับการออกแบบอย่างระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยงจุดสูงสุดของความแรงของสนามไฟฟ้าที่ส่วนต่อประสานระหว่างชั้น ซึ่งอาจทำให้ความสมบูรณ์ของการเคลือบลดลงและนำไปสู่ความล้มเหลวของส่วนประกอบในที่สุด
ค้นหานิ้วที่มีความหมาย
การรักษาการควบคุมคุณภาพในระดับสูงในขณะที่การผลิตในระดับการค้านั้นไม่ใช่เรื่องง่าย สำหรับเมตริกประสิทธิภาพพื้นฐานบางอย่าง เช่น การดูดกลืน ไม่มีมาตรฐานสากลที่บริษัทต่างๆ สามารถใช้ได้ "คุณไม่สามารถซื้อตัวอย่างที่มีอัตราการดูดซับเฉพาะสำหรับระบบการสอบเทียบหลักได้" Ioffe กล่าว "เราได้พัฒนาและสร้างระบบภายในบริษัทเพื่อวัดการดูดกลืนแสง การเลื่อนเฟส การสะท้อนแสง และการส่งผ่านที่มุมต่างๆ และโพลาไรเซชันต่างๆ"
การขาดมาตรฐานสากลเป็นปัญหาอย่างยิ่งสำหรับการประเมินเกณฑ์ความเสียหายที่เกิดจากเลเซอร์ (LIDT) ซึ่งเป็นเมตริกที่อธิบายถึงระดับพลังงานสูงสุดที่ส่วนประกอบหนึ่งๆ สามารถทนได้ก่อนที่จะประสบกับความเสียหายที่วัดได้
"มีมาตรฐาน ISO [International Organization for Standardization] สองสามมาตรฐานที่ใช้บังคับ แต่มาตรฐานเหล่านี้ไม่เพียงพอที่จะสร้างการทดสอบขีดจำกัดความเสียหายด้วยเลเซอร์ที่สอดคล้องกันจริงๆ" Dabney สมาชิกของ American National Standards Institute (ANSI) กล่าว ริเริ่มเพื่อพัฒนาเพิ่มเติม มาตรฐานการทดสอบโดยละเอียด
Hauschild กล่าวเพิ่มเติมว่ามาตรฐานเหล่านี้อาจไม่เหมาะสำหรับการประเมิน LIDT ของเลนส์ เนื่องจากการออกแบบเลเซอร์ใหม่ยังคงผลักดันขอบเขตของประสิทธิภาพเอาต์พุต
LIDT ได้รับผลกระทบโดยตรงจากองค์ประกอบ คุณภาพ และการเคลือบของออปติกเอง ตลอดจนความยาวคลื่นและกำลังของลำแสงที่ส่งผลกระทบ แต่ปัจจัยอื่น ๆ ก็เข้ามามีบทบาทเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ขนาดและรูปร่างของคานสามารถเปลี่ยนเกณฑ์ได้ขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานที่กระจายไปตามพื้นที่ผิวที่กำหนดของส่วนประกอบ ปัจจัยเหล่านี้บางส่วนสามารถสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ได้ แต่การประเมิน LIDT ที่แม่นยำในท้ายที่สุดจำเป็นต้องมีการทดสอบส่วนประกอบโดยตรง
นั่นเป็นที่มาของการขาดมาตรฐานในการทดสอบ LIDT ปัจจุบัน Dabney กล่าวว่ามาตรฐาน ISO กำหนดให้ LIDT เป็น "ความเสียหายที่มองเห็นได้ แต่นั่นเป็นการเปิดประตูให้ผู้ผลิตที่มีชื่อเสียงขายเลนส์ที่มี LIDT สูงเกินจริงโดยการรักษาขั้นตอนการประเมินความเสียหายไว้เพียงผิวเผิน" คุณไม่ได้รับรางวัลหากดูเหมือนว่าคุณกำลังพยายามหนักขึ้น แต่จริง ๆ แล้วคุณถูกลงโทษ” เขากล่าว ด้วยเหตุนี้ LIDT จึงควรใช้เป็นแนวทางให้ข้อมูล ไม่ใช่เป้าหมายสำหรับสภาพการทำงานที่เป็นกิจวัตร Hauschild กล่าวว่าทีมของเขา โดยทั่วไปแล้วจะใช้ระบบเลเซอร์ที่ความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่า LIDT เพื่อให้มั่นใจถึงเสถียรภาพในระยะยาว
พลังอันยิ่งใหญ่มาพร้อมความรับผิดชอบอันใหญ่หลวง และผู้ใช้ต้องออกแบบระบบเลเซอร์ของตนอย่างรอบคอบ เพื่อไม่ให้ส่วนประกอบที่ล้มเหลวก่อให้เกิดหายนะ "ปัญหาใหญ่ประการหนึ่งคือ หากผู้คนไม่ตั้งค่าลำแสงอย่างถูกต้อง คุณจะได้รับข้อเสนอแนะเพื่อกำจัดเลเซอร์" Dabney กล่าว ตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบที่ทำงานผิดปกติอาจทำให้ลำแสงถูกกระจกสะท้อนกลับไปยังแหล่งกำเนิดแสงโดยไม่ตั้งใจ
"การทำเลเซอร์อาจมีราคา 100 ดอลลาร์000 เนื่องจากมีชิ้นส่วนเพียง 100 ดอลลาร์เท่านั้น" Dabney กล่าว ดังนั้นควรแยกแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์เพื่อป้องกันเหตุการณ์สะท้อนกลับดังกล่าว
การบำรุงรักษาตามปกติและการตรวจสอบระบบเลเซอร์และส่วนประกอบต่างๆ ของระบบก็มีความสำคัญเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ในการใช้งานด้านการประมวลผลวัสดุ แผงป้องกันบนเลเซอร์กำลังสูงมักจะสะสมสิ่งปนเปื้อนจากวัสดุที่กำลังดำเนินการ และต้องเปลี่ยนเป็นระยะเพื่อป้องกันความเสียหายที่อาจทำให้สารปนเปื้อนเหล่านี้ซึมเข้าสู่ตัวเลเซอร์ได้ นอกจากการใช้เลเซอร์ต่ำกว่ากำลังสูงสุดเพื่อลดความเครียดในระบบแล้ว Hauschild ยังแนะนำให้ใช้เครื่องตรวจจับที่สามารถตรวจสอบอุณหภูมิของระบบหรือตรวจจับหลักฐานของการกระเจิงของแสงที่ไม่คาดคิดซึ่งอาจบ่งบอกถึงความล้มเหลวของส่วนประกอบที่กำลังจะเกิดขึ้น
ระบบเลเซอร์กำลังสูงไม่ถูก แต่ความพยายามในการตัดทอนส่วนประกอบที่ไม่จำเป็นมักจะกลับมาหลอกหลอนผู้ใช้ที่ต้องแบกรับค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา ซ่อมแซม และเปลี่ยนระบบ
"ถ้าคุณขับเคลื่อนด้วยพลังงาน คุณก็ต้องจ่าย" Dabney กล่าว แต่เขายังชี้ให้เห็นด้วยว่าสิ่งนี้ควรกระตุ้นให้ผู้บริโภคเลเซอร์คิดอย่างรอบคอบเกี่ยวกับพลังงานที่พวกเขาต้องการจริง ๆ สำหรับการใช้งานเฉพาะของตน “ถ้าคุณสามารถอยู่ต่ำกว่าระดับที่กำหนดได้ คุณก็ประหยัดได้นิดหน่อย” เขากล่าว
แม้ว่าระบบเลเซอร์บางระบบจะยังคงผลักดันขีดจำกัดของพลังงานอย่างไม่ต้องสงสัย เช่น ระบบที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานด้านการป้องกันหรือการวิจัยฟิวชัน เป็นต้น Hauschild กล่าวว่าเขายังมองเห็นศักยภาพสำหรับโซลูชันทางเลือกสำหรับผู้ใช้ในอุตสาหกรรมบางราย ตัวอย่างเช่น ในบางกรณี เลเซอร์หลายตัวที่ทำงานด้วยกำลังสูงสุดที่ต่ำกว่าสามารถให้ผลผลิตที่ใกล้เคียงกันโดยมีต้นทุนที่ต่ำกว่า “คำถามไม่ใช่แค่ว่าเราควรจะเพิ่มขนาดพลังงานต่อไปหรือไม่ แต่ยังรวมถึงวิธีที่เราใช้มันอย่างมีประสิทธิภาพด้วย” เขากล่าว
