高出力レーザーは、提供するエネルギーが正確に制御されているため、多くの産業用途で標準的かつ遍在的なツールとなっています。 ただし、「高出力」という用語は解析が難しい場合があり、多くの場合、定義するには何らかのコンテキストが必要です。
レーザー パラメータの範囲は 3D プリンタの 10- ワット ビームから衛星レーザーで生成される 100- キロワットのビームにまで及ぶため、高出力出力のしきい値を決定する場合、レーザー アプリケーションは限られた役に立ちます。 あるアプリケーションの豊富な機能を構成する要素が、別のアプリケーションでは文書化されることはほとんどありません。 異なる波長のレーザーに適用した場合、連続波動作とパルス動作を比較した場合、さらには固体、ガス、またはドープされた結晶源を比較した場合でも、「高出力」は相対的な用語になります。
鋼鉄を貫通したり、通信信号を長距離中継したりする同じビームも、レーザー システムのフレームワーク内で光を導き、整形する敏感な光学コンポーネントに深刻な損傷を引き起こす可能性があります。 グローバル ビジネス開発マネージャーのティム・マッコーム氏は、「あらゆる細部をコントロールしなければなりません。そうしないと、それらの細部から損害が発生します。そして気が付くと、50 万ドルのコンポーネントが燃え尽きてしまいます」と述べています。コヒレントで。
品質管理
レーザービームが所望の形状、サイズ、強度を確実に達成するには、多数の光学部品が必要です。 ビームの焦点を合わせてコリメートするために使用されるレンズに加えて、レーザー システムには通常、ミラー、偏光子、ビーム スプリッターが含まれています。 これらの各コンポーネントは精密に製造、機械加工され、最終製品が適切な光吸収、透過、反射特性を持つように特殊なコーティングで処理する必要があります。 注意深い監視を行わないと、製造、研磨、コーティング、テストの各段階で、システム障害につながる可能性のある欠陥やエラーが発生する可能性が十分にあります。
コンポーネントには欠陥領域があり、光学アセンブリ全体に本質的に弱いリンクが形成されることがあります。 Altamont Optics の主任レーザーエンジニアである Matthew Dabney 氏は、欠陥が透過または反射されるはずのエネルギーを吸収するため、そのコンポーネントの最終的な故障がシステムの残りの部分に伝播する可能性があると述べています。
レーザーのグレアは、光学部品の熱による変形を通じて問題を引き起こす可能性もあります。 これらの影響により、影響を受ける光学系がすぐに破壊されない場合でも、材料の屈折率に変化が生じる可能性があり、その結果、レーザー出力が歪んだり、最適ではない状態になったりする可能性があります。 そのため、レーザー メーカーは、特定のレーザー システム用の光学コンポーネントを指定する際に、多くの考慮事項を認識する必要があります。
まずは素材の選択です。 溶融シリカは、吸収が非常に低く、非常によく特徴付けられたガラスであり、成形や研磨が容易であるため、多くの透過型および反射型光学コンポーネントに最適な選択肢となります。
「高出力アプリケーションを行う場合、私たちは常に溶融シリカを使用するよう努めています」と、Focuslight のレーザー光学研究開発ディレクターである Dirk Hauschild 氏は述べています。 「最高レベルの品質が得られ、溶融シリカのコーティングは最高の損傷閾値を備えています。」
ただし、一部のレーザー システムでは、より特殊な代替手段が必要になります。 高出力 CO 2 でのレンズ レーザーは多くの場合セレン化亜鉛で作られており、強い赤外線で強力な性能を発揮しますが、使用がより困難になる場合があります。 他の光学材料と同様に、セレン化亜鉛は正確に成形され、平滑化されなければなりません。 表面の小さな欠陥は、レーザーのエネルギーと熱により性能上の問題を引き起こしたり、さらに悪いことに局所的な蓄積を引き起こしたりする可能性があります。ハウシルト氏は、これが基板にストレスを与え、コーティングに亀裂や焼けが生じる可能性があると述べています。 「本当に高出力のアプリケーションでは、単一の欠陥が光学部品全体を破壊する可能性があります。」
このような欠陥を除去するには、細心の注意を払った研削および研磨プロセスと、その後の慎重な品質管理が必要であると、Ophir の IR プロセス開発およびエンジニアリングマネージャーであるエミリアーノ・イオッフェ氏は述べています。同社は通常、傷やえぐれを許さず、コンポーネントの表面粗さの値を 1 nm 未満にすることを目標としています。 。 これは、非溶融シリカ材料を使用する場合に特に困難であり、特に人気が高まっているレンズである非球面光学系の材料を準備する場合、彼のチームは同社の CO 2 レーザーで使用されるセレン化亜鉛光学系の特殊な研磨プロセスを開発する必要があったとイオッフェ氏は述べています。 。
これらの完全に滑らかな表面は、コンポーネントに適切な反射または反射防止特性を与える特殊なコーティングで均一にコーティングする必要があります。 hauschild 氏は、コーティングは設計において最も弱い部分であることが多いと述べています。 非常に薄いため、破損する可能性があり、時間の経過とともに材料特性が変化する可能性があります。 その結果、コーティングの選択や塗布が不適切だと、完璧なレンズやミラーを製造するために費やされた労力が無駄になる可能性があります。
コーティングは、吸収特性と反射特性に加えて、特定の波長で最適なパフォーマンスを発揮するように選択する必要があります。 「紫外線の場合は通常 3 つまたは 4 つの材料が使用されますが、赤外線の場合は 3 つまたは 4 つの材料からなる非常に異なるセットがあります」とダブニー氏は言います。
多くの場合、必要な光学性能を向上させるためにコンポーネントにはさまざまなコーティングを複数層施す必要がありますが、その向上にはトレードオフが必要になる場合があります。 「鏡の反射率を高めるために層をどんどん追加することはできますが、層を追加すると吸収も行われるため、吸収された光の一部が失われることになります」とヨッフェ氏は言う。 「吸収と反射と透過の間には常にバランスがあります。」
また、多層コーティングは、コーティングの完全性を損ない、最終的にコンポーネントの故障につながる可能性がある、層間の界面での電界強度のピークを避けるために慎重に設計する必要があります。
意味のある指を見つける
商業規模で製造しながら高レベルの品質管理を維持することは決して簡単ではありません。 吸収などの一部の基本的なパフォーマンス指標については、企業が使用できる普遍的な基準はありません。 「特定の吸収率を持つサンプルをマスター キャリブレーション システムとして購入することはできません」と Ioffe 氏は言います。 「当社は、さまざまな角度およびさまざまな偏光での吸収、位相シフト、反射率、透過率を測定するシステムを社内で開発および構築しました。」
普遍的な基準がないことは、特定のコンポーネントが測定可能な損傷を受ける前に耐えることができる最大エネルギーレベルを表す指標であるレーザー誘起損傷閾値 (LIDT) を評価する場合に特に問題となります。
「適用される ISO (国際標準化機構) 規格がいくつかありますが、これらは実際に一貫したレーザー損傷しきい値テストを作成するには十分ではありません」と、より多くの規格を開発する米国規格協会 (ANSI) イニシアチブのメンバーであるダブニー氏は述べています。詳細なテスト基準。
さらにハウスチャイルド氏は、新しいレーザー設計が出力性能の限界を押し広げ続けているため、これらの規格は光学系の LIDT の評価にはあまり適していない可能性があると述べています。
LIDT は、影響を受けるビームの波長とパワーだけでなく、光学系自体の組成、品質、コーティングによって直接影響を受けます。 しかし、他の要因も関係します。 たとえば、コンポーネントの特定の表面積にどれだけのエネルギーが分散されるかに応じて、ビームのサイズと形状によってしきい値が変化する可能性があります。 これらの要因の一部は数学的にモデル化できますが、正確な LIDT 評価には最終的にコンポーネント自体を直接テストする必要があります。
ここで、LIDT テストにおける標準化の欠如が問題になります。ダブニー氏によると、現在、ISO 規格では LIDT を「目に見える損傷がある」と定義しています。しかし、これにより、悪名高いメーカーが損傷評価手順を表面的なものにし、非現実的に高い LIDT を備えた光学素子を販売する可能性が生じます。一生懸命努力しているように見えても報われることはなく、実際にはペナルティを課されているのです」と彼は言います。そのため、LIDT は日常的な動作条件の目標ではなく、情報ガイドとして使用されるべきです。ハウシルト氏のチームはこう述べています。は通常、長期的な安定性を確保するために、LIDT をはるかに下回る出力密度でレーザー システムを実行します。
大きな出力には大きな責任が伴います。ユーザーは、コンポーネントの故障が災害を引き起こさないように、レーザー システムを慎重に設計する必要があります。 「大きな問題の 1 つは、人々がビームラインを適切にセットアップしないと、レーザーを排除するためのフィードバック ループが発生する可能性があることです」とダブニー氏は言います。 たとえば、コンポーネントの故障により、ビームがミラーによって誤って光源に反射される可能性があります。
「部品が 100 ドルしかないため、レーザー加工には 100 ドルかかる可能性があります。000」とダブニー氏は言います。 したがって、このような後方反射現象を防ぐためにレーザー光源を隔離する必要があります。
レーザー システムとそのコンポーネントの定期的なメンテナンスと監視も重要です。 たとえば、材料加工アプリケーションでは、高出力レーザーのシールド ウィンドウに、加工される材料からの汚染物質が蓄積する傾向があり、同じ汚染物質がレーザー自体に浸透する可能性がある損傷を防ぐために、シールド ウィンドウを定期的に交換する必要があります。 システムへのストレスを最小限に抑えるためにレーザーをピーク出力以下で動作させることに加えて、ハウスチャイルド氏は、システム温度を監視したり、差し迫ったコンポーネントの故障を示す可能性のある予期せぬ光の散乱の証拠を感知したりできる検出器を使用することを推奨しています。
高出力レーザー システムは安価ではありません。 しかし、消耗部品を削減する取り組みは、システムの保守、修理、交換のコストを負担するエンドユーザーを悩ませることになる可能性が高い。
ダブニー氏は、「電力で動かされているのであれば、その対価を支払うことになる」と述べているが、このことがレーザー消費者に、特定の用途に実際にどのくらいの電力が必要なのかをよく考えるよう促すはずだとも指摘している。 「一定の水準以下に抑えることができれば、少しは節約できる」と同氏は語った。
たとえば防衛用途や核融合研究向けに設計されたレーザーシステムなど、特定のレーザーシステムは間違いなく出力の限界を押し広げ続けるだろうが、一部の業界ユーザー向けの代替ソリューションの可能性も見ているとハウシルト氏は語った。 たとえば、場合によっては、複数のレーザーをより低いピーク出力で動作させることで、より低いコストで同様の生産性を実現できます。 「問題は、電力の拡大を継続すべきかどうかだけでなく、電力をどのように効率的に使用するかということだ」と同氏は述べた。
