Hochleistungslaser sind in vielen industriellen Anwendungen zu einem standardmäßigen und allgegenwärtigen Werkzeug geworden, unter anderem aufgrund der präzise gesteuerten Energie, die sie liefern. Aber „hohe Leistung“ kann ein schwer zu analysierender Begriff sein und erfordert oft einen Kontext zur Definition.
Laseranwendungen sind bei der Bestimmung hoher Ausgangsleistungsschwellen nur begrenzt hilfreich, da die Laserparameter von einem 10-Watt-Strahl in einem 3D-Drucker bis zu einem 100-Kilowatt-Strahl reichen können, der von einem Satellitenlaser erzeugt wird. Was für eine Anwendung umfangreiche Funktionalität ausmacht, wird in einer anderen kaum dokumentiert. Bei der Anwendung auf Laser unterschiedlicher Wellenlänge, beim Vergleich von Dauerstrich- und Pulsbetrieb und sogar beim Vergleich von Festkörper-, Gas- oder dotierten Kristallquellen wird „hohe Leistung“ zu einem relativen Begriff.
Derselbe Strahl, der Stahl durchdringt oder Telekommunikationssignale über große Entfernungen weiterleitet, kann auch schwere Schäden an den empfindlichen optischen Komponenten verursachen, die das Licht im Rahmen eines Lasersystems leiten und formen. „Man muss jedes noch so kleine Detail kontrollieren, sonst beginnt der Schaden bei diesen kleinen Details – und im nächsten Moment hat man eine halbe Million Dollar an Komponenten verbrannt“, sagt Tim McComb, Manager für globale Geschäftsentwicklung bei Coherent.
Qualitätskontrolle
Damit der Laserstrahl die gewünschte Form, Größe und Intensität erhält, ist eine Vielzahl optischer Komponenten erforderlich. Zusätzlich zu den Linsen, die zum Fokussieren und Kollimieren des Strahls verwendet werden, enthalten Lasersysteme typischerweise Spiegel, Polarisatoren und Strahlteiler. Jede dieser Komponenten muss präzise gefertigt und bearbeitet und anschließend mit speziellen Beschichtungen behandelt werden, um sicherzustellen, dass das Endprodukt die richtigen Lichtabsorptions-, Transmissions- und Reflexionseigenschaften aufweist. Ohne sorgfältige Überwachung bietet jede Phase der Herstellung, des Polierens, der Beschichtung und des Testens reichlich Gelegenheit für Defekte oder Fehler, die zu einem Systemausfall führen können.
Eine Komponente kann fehlerhafte Bereiche aufweisen, die im Wesentlichen zu Schwachstellen in der gesamten optischen Baugruppe führen. Da der Defekt Energie absorbiert, die übertragen oder reflektiert werden sollte, kann sich der eventuelle Ausfall dieser Komponente auf den Rest des Systems ausbreiten, sagt Matthew Dabney, leitender Laseringenieur bei Altamont Optics.
Auch die Blendung des Lasers kann durch thermisch bedingte Verformung der Optik zu Problemen führen. Auch wenn diese Effekte die betroffene Optik nicht sofort zerstören, können sie zu Veränderungen des Brechungsindex des Materials führen, was zu einer verzerrten oder suboptimalen Laserleistung führen kann. Daher müssen Laserhersteller bei der Spezifikation optischer Komponenten für ein bestimmtes Lasersystem eine Reihe von Überlegungen berücksichtigen.
Erstens ist die Wahl des Materials wichtig. Quarzglas ist ein sehr gut charakterisiertes Glas mit sehr geringer Absorption und lässt sich leicht formen und polieren, was es oft zur besten Wahl für viele transmissive und reflektierende optische Komponenten macht.
„Wir versuchen immer, Quarzglas zu verwenden, wenn wir Hochleistungsanwendungen durchführen“, sagte Dirk Hauschild, Leiter der Laseroptik-Forschung und -Entwicklung bei Focuslight. „Man erhält höchste Qualität und die Beschichtungen auf Quarzglas weisen die höchste Schadensschwelle auf.“
Einige Lasersysteme erfordern jedoch speziellere Alternativen. Hochleistungs-CO 2 -Linsenlaser bestehen häufig aus Zinkselenid, das im starken Infrarotbereich eine starke Leistung zeigt, jedoch schwieriger zu verwenden sein kann. Wie andere optische Materialien muss Zinkselenid präzise geformt und geglättet werden. Winzige Oberflächendefekte können aufgrund der Energie und Hitze des Lasers zu Leistungsproblemen oder, schlimmer noch, zu lokalen Ablagerungen führen. Hauschild sagt, dass dadurch das Substrat belastet werden kann, was dazu führen kann, dass jede Beschichtung reißt und brennt. „Bei wirklich leistungsstarken Anwendungen kann ein einzelner Defekt die gesamte Optik zerstören.“
Die Beseitigung solcher Defekte erfordert sorgfältige Schleif- und Polierprozesse, gefolgt von einer sorgfältigen Qualitätskontrolle, sagt Emiliano Ioffe, IR-Prozessentwicklungs- und Engineering-Manager bei Ophir, dessen Unternehmen in der Regel Oberflächenrauheitswerte von weniger als 1 nm für seine Komponenten anstrebt, ohne dass Kratzer oder Furchen zulässig sind . Dies stellt eine besondere Herausforderung dar, wenn Materialien ohne Quarzglas verwendet werden. Laut Ioffe musste sein Team ein spezielles Polierverfahren für die Zinkselenidoptik entwickeln, die in den CO2-Lasern des Unternehmens verwendet wird, insbesondere bei der Vorbereitung von Materialien für asphärische Optiken, die sich zu immer beliebter werdenden Linsen entwickelt haben .
Diese perfekt glatten Oberflächen müssen dann gleichmäßig mit speziellen Beschichtungen beschichtet werden, die den Komponenten die richtigen reflektierenden oder antireflektierenden Eigenschaften verleihen. Hauschild sagt, dass die Beschichtungen oft das schwächste Glied im Design sind. Da sie so dünn sind, können sie brechen und ihre Materialeigenschaften im Laufe der Zeit verändern. Folglich können schlecht ausgewählte oder aufgetragene Beschichtungen die harte Arbeit zunichte machen, die in die Herstellung der perfekten Linse oder des perfekten Spiegels gesteckt wird.
Zusätzlich zu ihren Absorptions- und Reflexionseigenschaften müssen Beschichtungen für eine optimale Leistung bei bestimmten Wellenlängen ausgewählt werden. „Für Ultraviolett werden typischerweise drei oder vier Materialien verwendet, während es für Infrarot einen ganz anderen Satz von drei oder vier Materialien gibt“, sagt Dabney.
In vielen Fällen müssen Komponenten mehrere Schichten unterschiedlicher Beschichtungen erhalten, um die gewünschte optische Leistung zu verbessern. Für diese Verbesserung sind jedoch möglicherweise Kompromisse erforderlich. „Man kann immer mehr Schichten hinzufügen, um das Reflexionsvermögen des Spiegels zu verbessern, aber wenn man Schichten hinzufügt, absorbieren diese auch, sodass man einen Teil des absorbierten Lichts verliert“, sagt Ioffe. „Es besteht immer ein Gleichgewicht zwischen Absorption, Reflexion und Transmission.“
Mehrschichtige Beschichtungen müssen außerdem sorgfältig entworfen werden, um Spitzen der elektrischen Feldstärke an der Grenzfläche zwischen den Schichten zu vermeiden, die die Integrität der Beschichtung beeinträchtigen und letztendlich zum Ausfall von Komponenten führen können.
Sinnvolle Finger finden
Es ist nie einfach, bei der Herstellung im kommerziellen Maßstab ein hohes Maß an Qualitätskontrolle aufrechtzuerhalten. Für einige grundlegende Leistungskennzahlen, beispielsweise die Absorption, gibt es keine allgemeingültigen Standards, die Unternehmen verwenden können. „Man kann keine Probe mit einer bestimmten Absorptionsrate als Master-Kalibrierungssystem kaufen“, sagt Ioffe. „Wir haben intern Systeme entwickelt und gebaut, um Absorption, Phasenverschiebung, Reflexion und Transmission bei verschiedenen Winkeln und verschiedenen Polarisationen zu messen.“
Das Fehlen eines universellen Standards ist besonders problematisch für die Bewertung der laserinduzierten Schadensschwelle (LIDT), einer Metrik, die den maximalen Energiepegel beschreibt, dem eine bestimmte Komponente standhalten kann, bevor messbare Schäden auftreten.
„Es gelten einige ISO-Normen [Internationale Organisation für Normung], aber diese reichen nicht aus, um wirklich einen konsistenten Laserzerstörschwellentest zu erstellen“, sagt Dabney, Mitglied der Initiative des American National Standards Institute (ANSI), weitere zu entwickeln detaillierte Prüfnormen.
Hauschild sagt weiter, dass diese Standards möglicherweise nicht gut für die Bewertung des LIDT von Optiken geeignet sind, da neue Laserdesigns weiterhin die Grenzen der Ausgangsleistung verschieben.
LIDT wird direkt von der Zusammensetzung, Qualität und Beschichtung der Optik selbst sowie von der Wellenlänge und Leistung der Strahlen, auf die sie einwirken, beeinflusst. Aber auch andere Faktoren spielen eine Rolle. Beispielsweise kann die Größe und Form des Strahls den Schwellenwert ändern, je nachdem, wie viel Energie über einen bestimmten Oberflächenbereich des Bauteils verteilt wird. Einige dieser Faktoren können mathematisch modelliert werden, aber eine genaue LIDT-Bewertung erfordert letztendlich eine direkte Prüfung der Komponente selbst.
Hier kommt der Mangel an Standardisierung bei LIDT-Tests ins Spiel. Derzeit, sagt Dabney, definiert die ISO-Norm LIDT als „sichtbar beschädigt“. Aber das öffnet berüchtigten Herstellern die Tür, Optiken mit unrealistisch hohen LIDTs zu verkaufen, indem sie die Schadensbewertungsverfahren oberflächlich halten.“ „Man wird nicht dafür belohnt, dass man den Anschein erweckt, als würde man sich mehr anstrengen – man wird tatsächlich bestraft“, sagt er. Daher sollte LIDT als Informationsleitfaden und nicht als Ziel für routinemäßige Betriebsbedingungen verwendet werden, sagt Hauschild zu seinem Team Typischerweise betreibt das Unternehmen seine Lasersysteme mit Leistungsdichten deutlich unter LIDT, um eine langfristige Stabilität zu gewährleisten.
Mit großer Leistung geht große Verantwortung einher, und Benutzer müssen ihre Lasersysteme sorgfältig entwerfen, damit eine ausgefallene Komponente keine Katastrophe verursacht. „Eines der großen Probleme besteht darin, dass es zu einer Rückkopplungsschleife kommen kann, die den Laser eliminiert, wenn die Leute ihre Strahllinie nicht richtig einrichten“, sagt Dabney. Beispielsweise könnte eine fehlerhafte Komponente dazu führen, dass der Strahl versehentlich von einem Spiegel zur Lichtquelle zurückreflektiert wird.
„Das Lasern könnte 100 US-Dollar kosten,000 weil es nur 100 US-Dollar teure Teile gibt“, sagt Dabney. Daher sollten Laserquellen isoliert werden, um solche Rückreflexionsereignisse zu verhindern.
Auch die routinemäßige Wartung und Überwachung des Lasersystems und seiner Komponenten ist von entscheidender Bedeutung. Bei Materialbearbeitungsanwendungen beispielsweise neigen die Schutzfenster von Hochleistungslasern dazu, Verunreinigungen aus dem verarbeiteten Material anzusammeln, und sie müssen regelmäßig ausgetauscht werden, um Schäden zu vermeiden, die dazu führen könnten, dass dieselben Verunreinigungen in den Laser selbst eindringen. Neben dem Betrieb des Lasers unterhalb der Spitzenleistung, um die Belastung des Systems zu minimieren, empfiehlt Hauschild die Verwendung von Detektoren, die die Systemtemperatur überwachen oder Anzeichen unerwarteter Lichtstreuung erkennen können, die auf einen bevorstehenden Komponentenausfall hinweisen können.
Hochleistungslasersysteme sind nicht billig. Doch die Bemühungen, bei den Verbrauchskomponenten einzusparen, werden sich wahrscheinlich auf den Endbenutzer auswirken, der die Kosten für Wartung, Reparatur und Austausch des Systems trägt.
„Wenn Sie von Strom angetrieben werden, müssen Sie dafür bezahlen“, sagt Dabney, weist aber auch darauf hin, dass dies Laserverbraucher dazu veranlassen sollte, zweimal darüber nachzudenken, wie viel Strom sie für ihre spezielle Anwendung tatsächlich benötigen. „Wenn man unter einem bestimmten Niveau bleiben kann, kann man ein wenig sparen“, sagte er.
Während bestimmte Lasersysteme zweifellos weiterhin an die Leistungsgrenzen stoßen werden – zum Beispiel diejenigen, die für Verteidigungsanwendungen oder die Fusionsforschung entwickelt wurden – sieht Hauschild auch Potenzial für alternative Lösungen für einige Industrieanwender. In einigen Fällen können beispielsweise mehrere Laser, die mit niedrigerer Spitzenleistung arbeiten, eine ähnliche Produktivität zu geringeren Kosten erzielen. „Die Frage ist nicht nur, ob wir den Strom weiter ausbauen sollten, sondern auch, wie wir ihn effizient nutzen“, sagte er.
