精密光学塑造高功率激光器的光和极限

　　目前，高功率激光器已成为许多工业加工应用中的标准工具，部分原因在于它们提供了精确可控的能量输入。但是“高功率”可能是一个难以解析的术语，并且通常需要一些外部上下文来定义。

　　在确定高功率输出阈值时，激光应用的帮助有限，因为激光参数的范围可以从3D打印机中的10W光束到卫星激光器产生的100kW光束。当应用于不同波长的激光器时，在比较连续波和脉冲操作时，甚至在比较固态、气体或掺杂晶体激光束光源时，“高功率”也成为一个相对术语。

　　相同的光束可以穿透钢铁或可以远距离中继电信信号，也可能对激光系统框架内引导和塑造光的敏感光学组件造成严重破坏。“你必须控制每一个细节，否则这些细节将成为损害开始的地方。严重时，甚至会导致组件出现不可修复的损伤。”Coherent相干公司全球业务发展部经理Tim McComb表示。

　　质量控制

　　需要大量光学元件确保激光束达到所需的形状、尺寸和强度。除了用于聚焦和准直光束的透镜外，激光系统通常还包含反射镜、偏振器和分束器。每个组件都必须经过精密制造和加工，然后用专门的涂层处理，以确保最终产品具有适当的光吸收、透射和反射特性。如果不仔细监控每一个过程，制造、抛光、涂层和测试的每个阶段都会产生缺陷或隐患，从而导致系统在未来运行时发生故障。

　　一个组件可能有缺陷部位，这些缺陷部位基本上会在整个光学组件中造成薄弱环节。爱特蒙特光学公司的首席激光工程师Matthew Dabney说，由于缺陷吸收了应该传输或反射的能量，因此该组件的最终故障会传播到系统的其余部分。

　　激光的强光也可能通过光学元件的热致变形引起问题。即使这些影响不会立即破坏受影响的光学元件，也会引起材料折射率的变化，从而导致激光输出失真或欠佳。因此，激光制造商在为特定激光系统指定光学组件时需要注意一系列考虑因素。

　　首先是对材料的选择。熔融石英是一种特性非常好的玻璃，具有非常低的吸收率，并且易于成型和抛光，这通常使其成为许多透射和反射光学元件的最佳选择。“当我们进行高功率应用时，我们总是尝试使用熔融石英，”Focuslight激光光学研发总监Dirk Hauschild说，“可以获得最高质量水平的产品，熔融石英上的涂层具有最高的损坏阈值。”

　　然而，一些激光系统需要更专业的替代品。高功率CO2中的透镜激光器通常由硒化锌制成，硒化锌在强红外光下表现出强大性能，但使用起来更困难。与其他光学材料一样，硒化锌必须精确成型和平滑。微小的表面缺陷可能会导致性能问题。Hauschild说，“这会对基材产生应力，从而导致任何涂层破裂和燃烧。对于真正的高功率应用，一个缺陷可能会破坏整个光学元件。”

　　消除此类缺陷需要细致的研磨和抛光过程，然后进行仔细的质量控制。Ophir的红外工艺开发和工程经理Emiliano Ioffe表示，公司的目标是确保组件的表面粗糙度值小于1nm，不允许出现划痕或凹坑。这在使用非熔融石英材料时尤其具有挑战性，Ioffe说他的团队必须为公司的CO2激光器中使用的硒化锌光学元件开发专门的抛光工艺，特别是在制备已成为越来越受欢迎的透镜非球面光学元件时。

　　然后，这些完美光滑的表面必须均匀地涂上专门的涂层，为组件赋予适当的反射或抗反射特性。Hauschild说，涂层通常是设计的薄弱环节。因为它们非常薄，它们可能会断裂并且随着时间的推移会改变材料特性。因此，选择或应用不当的涂层可能会抵消为生产完美镜片或镜子所付出的辛勤工作。

　　除了它们的吸收和反射特性外，还必须选择涂层以在特定波长下获得最佳性能。“对于紫外线，通常使用三种或四种材料，而对于红外线则有一组非常不同的三种或四种材料。”Dabney说道。

　　在许多情况下，组件必须接受多层不同的涂层以改善所需的光学性能，但这种改善可能需要权衡取舍。“你可以添加越来越多的层来提高镜子的反射率，但是当你添加涂层时，它们也会吸收，所以你会失去一些光的吸收，”Ioffe说，“吸收与反射和透射之间总是需要平衡。”

　　同时，厂商必须仔细设计多层涂层，以避免在层与层之间的界面处形成电场强度峰值，这会损害涂层的完整性并最终导致组件失效。

　　寻找有意义的指标

　　在商业规模制造的同时保持高水平的质量控制绝非易事。对于一些基本的绩效指标，例如吸收，没有可供公司使用的通用标准。“你不能购买具有特定吸收率的样品作为校准系统的标准，”Ioffe说，“我们在内部开发和构建了一些系统，用于测量不同角度和不同偏振的吸收、相移、反射和透射率。”

　　缺乏通用标准对于评估激光诱导损伤阈值(LIDT)尤其成问题，这是一种描述给定组件在经历可测量损伤之前可以承受的最大能量水平的指标。有几个ISO标准适用，但这些标准不足以真正创建一致的激光损伤阈值测试，Dabney表示需要制定更详细的测试标准。

　　Hauschild进一步解释说，这些标准可能不太适合评估光学器件的LIDT，因为新的激光器设计继续挑战输出的性能边界。LIDT直接受光学元件本身的成分、质量和涂层影响，另外激光束的波长和功率也会对其产生影响。但其他因素也会发挥作用。例如光束的大小和形状可以根据在组件给定表面积上分布的能量多少来改变阈值。其中一些因素可以进行数学建模，但准确的 LIDT评估最终需要直接测试组件本身。

　　这就是缺乏LIDT测试标准化的问题所在。目前，ISO标准将LIDT定性为“明显损坏”。但这为声名狼藉的制造商打开了大门，这些制造商通过将损坏评估程序保持在肤浅的水平来销售具有不切实际的高LIDT光学元件。Hauschild表示，他的团队通常以远低于LIDT的功率密度运行其激光系统，以确保长期稳定性。

　　明智地使用

　　用户必须小心设计他们的激光系统，以免系统出现故障导致无法挽回的灾难。Dabney说，其中一个大问题是，如果人们没有正确设置光束线，可能会得到一个反馈回路来消除激光，一个组件的故障可能导致光束被镜子意外地反射回光源。这可能会让100美元的零件损坏10万美元的激光器设备。

　　激光系统及其组件的日常维护和监控非常重要。在材料加工中，高功率激光器的保护窗容易被材料加工产生的污染物积聚，因此必须定期更换保护窗，以防止污染物渗入激光器造成损坏。除了以低于峰值功率运行激光器以最大程度地减少系统压力外，Hauschild还建议使用能够监测系统温度或能够感知可能预测即将发生的组件故障的意外光散射迹象的探测器。

　　高功率激光系统并不便宜。但消耗性组件上的偷工减料会让终端用户承担维护、维修和更换系统的成本。Dabney表示，激光的使用者应该三思而后行，考虑特定应用实际需要多少功率。