導(dǎo)讀：隨著力量和能量的增加，物理閾值面臨更嚴(yán)格的考量。光學(xué)設(shè)計(jì)也必須做出相應(yīng)調(diào)整。
“高功率”的含義因行業(yè)而異。例如，工業(yè)應(yīng)用所需的高功率與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所需的高功率大相徑庭。
高功率的可識(shí)別屬性也因應(yīng)用而異。清潔能源研究?jī)?yōu)先考慮極端能源水平下的精度和控制，而軍事和國(guó)防部門則將重點(diǎn)放在光束質(zhì)量和環(huán)境適應(yīng)性上。
角立方體逆反射器可在大范圍的入射角上進(jìn)行關(guān)系密逆反射，這在難以實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)或存在振動(dòng)的應(yīng)用中非常有用。
工業(yè)應(yīng)用需要在功率、成本和安全之間取得平衡。該領(lǐng)域通過提高切割、焊接和材料加工等主要工藝的效率和精度來實(shí)現(xiàn)高功率。由于該領(lǐng)域的需求和應(yīng)用，工業(yè)功率水平無法與能源研究和國(guó)防領(lǐng)域使用的功率相提并論。
不過，在尋求實(shí)現(xiàn)、部署和優(yōu)化高功率源性能的過程中，仍然會(huì)遇到一些常見的挑戰(zhàn)。盡管“高功率”一詞的含義不盡相同，但為提高耐用性、精度和控制性所做的努力正在推動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步。
工業(yè)需求
供應(yīng)和市場(chǎng)需求是工業(yè)激光器發(fā)展的共同驅(qū)動(dòng)力。半導(dǎo)體制造業(yè)和汽車制造業(yè)等行業(yè)一直在追求更高的精度和效率，這需要開發(fā)商和制造商提供越來越先進(jìn)的激光器。
這種需求也決定了激光光學(xué)元件的的性能規(guī)格。這些元件的制造商努力生產(chǎn)出聚焦更精細(xì)、必要時(shí)功率更大、耐用性更強(qiáng)的光學(xué)器件。
高功率激光系統(tǒng)越來越容易受到激光誘導(dǎo)的損傷，例如玻璃表面的損傷，這是使用微分干涉對(duì)比顯微鏡捕獲的。
在Edmund Optics公司，這種動(dòng)態(tài)往往會(huì)引發(fā)有關(guān)實(shí)際部署高功率光源和激光光學(xué)器件的問題。該公司激光光學(xué)業(yè)務(wù)集團(tuán)高級(jí)主管斯特凡·范德林斯（Stefaan Vandrenriessche）表示，每當(dāng)工業(yè)激光制造商準(zhǔn)備向新一代高能系統(tǒng)邁進(jìn)時(shí)，熟悉的問題就會(huì)再次浮現(xiàn)。
其中包括：“這么大的功率能做什么？”以及“你會(huì)用這么大的功率用來做什么？”
這些問題與其說阻礙了工業(yè)激光技術(shù)的發(fā)展，不如說是開發(fā)商和制造商在開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)最大限度地提高效率的一種方式。一旦更高功率的激光系統(tǒng)上市銷售，來自工業(yè)領(lǐng)域的客戶就會(huì)迅速發(fā)現(xiàn)新功率等級(jí)所帶來的新應(yīng)用。
盡管由于物理定律或生產(chǎn)需求的原因，一些標(biāo)準(zhǔn)工藝（例如1至12kW范圍內(nèi)的工藝）已經(jīng)達(dá)到了其極限，但在持續(xù)推動(dòng)新的高功率激光需求和應(yīng)用的背后，還存在其他因素。
通快北美激光器高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理特蕾西·瑞巴（Tracey Ryba）表示：“我們看到傳統(tǒng)等離子切割客戶的需求增加，因?yàn)榧す獾臒嵊绊憛^(qū)更小，零件更清潔，二次應(yīng)用更靈活。”
在大多數(shù)情況下，20kW和30kW激光器的高光束質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于切割性能和光束質(zhì)量相對(duì)較低的40kW和50kW激光器。但航空航天焊接、電動(dòng)汽車生產(chǎn)以及重型機(jī)械和農(nóng)業(yè)設(shè)備的大幅增加，使得對(duì)10-20kW激光器的需求不斷增加。
Ryba說：“電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能裝置需要使用厚銅母線，這就需要高功率和優(yōu)良的光束質(zhì)量，而薄箔堆疊則需要高功率可見光波長(zhǎng)激光器來實(shí)現(xiàn)有效焊接。”
先進(jìn)的制造應(yīng)用也需要更高的功率。Ryba說，通快的極紫外（EUV）項(xiàng)目需要功率大于120千瓦的CO2激光器進(jìn)行光刻。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片通常采用納米尺寸，制造商使用紫外準(zhǔn)分子激光器生產(chǎn)芯片，要想制造出更小的結(jié)構(gòu)尺寸（小于 10 納米），就需要使用更短的 EUV 波長(zhǎng)。
然而，在芯片制造廠生產(chǎn)的13.5nm臨界波長(zhǎng)的等離子體輻射需要數(shù)兆瓦的峰值脈沖功率。而使用放大器增強(qiáng)的CO2激光脈沖平均功率僅為幾瓦，便能達(dá)到這一水平。
電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能裝置使用厚銅母線，這需要高功率和優(yōu)良的光束質(zhì)量，而薄金屬箔堆則需要高功率可見光波長(zhǎng)激光器進(jìn)行有效焊接。
激光性能的核心考慮因素可能因行業(yè)而異。定向能源和國(guó)防領(lǐng)域?qū)Ω吖β屎凸馐|(zhì)量的要求很高。在工業(yè)領(lǐng)域，提高切割和焊接等工藝的效率和精度是必然的。
最近，通快公司以及光刻專家ASML、光學(xué)系統(tǒng)制造商蔡司合作開發(fā)了一套CO2激光系統(tǒng)，其峰值功率大于120千瓦。該系統(tǒng)使用了五個(gè)放大器將功率提高了10,000倍，從而產(chǎn)生了數(shù)十千瓦的平均脈沖功率和數(shù)兆瓦的峰值脈沖功率。該系統(tǒng)每小時(shí)可處理>100塊基板。
跨領(lǐng)域進(jìn)展
定向能源和國(guó)防應(yīng)用是對(duì)高功率和激光束質(zhì)量的要求最高的領(lǐng)域之一。以技術(shù)發(fā)展的典型方式，制造商從嚴(yán)格的技術(shù)發(fā)展中獲得的見解通常會(huì)影響商業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。
Edmund公司的Vandrenliessche說：“國(guó)防和工業(yè)對(duì)光學(xué)元件的要求有很大的重疊。這種技術(shù)的涓滴效應(yīng)表現(xiàn)在高功率激光演示裝置首次出現(xiàn)在國(guó)防應(yīng)用中，隨后又被納入工業(yè)產(chǎn)品中，并延伸到光學(xué)元件本身。”
歐盟資助建立的三個(gè)大型激光設(shè)施就是一個(gè)真實(shí)的例子。這些可提供千萬瓦級(jí)激光功率的設(shè)施中的大型激光源對(duì)于科研界來說是一個(gè)至關(guān)重要的資源。根據(jù)設(shè)想，這些基礎(chǔ)設(shè)施將推動(dòng)粒子加速、藥物發(fā)現(xiàn)和基礎(chǔ)科學(xué)研究方面取得進(jìn)展。
除了與科研有明確的聯(lián)系之外，超高功率、高能量系統(tǒng)使用的光學(xué)元件也展示了大量的行業(yè)專有技術(shù)。
LASEROPTIK GmbH 涂層設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Thomas Willemsen說：“激光器的高輸出功率對(duì)光學(xué)元件提出了極高的要求，例如將激光束引導(dǎo)到不同目標(biāo)腔室以進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)所需的光束傳輸鏡。需要440×290平方毫米的反射鏡來降低光學(xué)器件本身的流變性。”
LASEROPTIK 涂層工程師和來自ELI-ERIC（歐盟資助的三家機(jī)構(gòu)之一）的激光科學(xué)家正在合作開發(fā)具有改進(jìn)的激光誘導(dǎo)損傷閾值（LIDT）和其他特性的光束傳輸鏡，以防止大尺寸光學(xué)器件的損壞。合作團(tuán)隊(duì)在LASEROPTIK GmbH公司建造了一個(gè)新穎的大尺寸濺射鍍膜室。Willemsen說：“首先在小尺寸光學(xué)器件上制造了幾種設(shè)計(jì)策略，并在ELI-ERIC的專用激光干涉儀測(cè)量裝置上進(jìn)行了測(cè)試。在合作過程中，性能最佳的涂層將在大尺寸基板上制造，并在ELI-ERIC的真空管中再次進(jìn)行測(cè)試。”
盡管這些合作的目標(biāo)仍然是一個(gè)瓶頸，但旨在管理巨大能量輸出而不損壞單個(gè)光學(xué)器件的跨部門研究項(xiàng)目的頻率仍然很高。應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的努力包括研究先進(jìn)的材料和涂層、提高表面質(zhì)量的制造技術(shù)以及先進(jìn)的冷卻技術(shù)。
如今，開發(fā)激光反射鏡以改進(jìn)LIDT是一個(gè)廣泛而活躍的領(lǐng)域。世界各地的研究小組正在開發(fā)新的設(shè)計(jì)策略，并對(duì)沉積技術(shù)的工藝參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，以進(jìn)一步改進(jìn)介電層堆疊。
這本身就是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)榻殡妼佣询B會(huì)帶來機(jī)械張力。根據(jù)所選涂層技術(shù)的不同，涂層應(yīng)力可能是拉伸應(yīng)力，也可能是壓縮應(yīng)力。大型干涉儀提供了一種可靠的工具，用于測(cè)量表面平整度以及對(duì)人造光學(xué)器件波面的影響。
Willemsen說：“如果涂層應(yīng)力過高，可以采用幾種策略來平衡涂層應(yīng)力。例如，可以使用預(yù)彎基板，或者在背面沉積經(jīng)過精心計(jì)算的應(yīng)力補(bǔ)償層。”
Willemsen說，通常情況下，在633納米波長(zhǎng)、大于300毫米的孔徑上，表面平整度必須小于λ/10，才能實(shí)現(xiàn)高能應(yīng)用的最佳性能。
供應(yīng)洞察
高能光源路線圖的其他考慮因素包括激光系統(tǒng)在新興應(yīng)用領(lǐng)域的存在以及新興領(lǐng)域的供應(yīng)需求。在供應(yīng)方面，光學(xué)元件開發(fā)商 Altechna 的首席執(zhí)行官 Antanas Laurutis認(rèn)為，現(xiàn)在的激光器比以前更好用了。Antanas Laurutis 之所以做出這樣的判斷，是因?yàn)榧す庀到y(tǒng)現(xiàn)在可以用于一些通常或歷史上都不需要其功能的應(yīng)用領(lǐng)域。
Antanas Laurutis說，隨著激光制造商能夠大規(guī)模制造高能量系統(tǒng)，他們現(xiàn)在支持的商業(yè)應(yīng)用越來越多，也越來越受歡迎。激光器變得越來越小，更容易集成到其他系統(tǒng)中，更多的激光制造商和標(biāo)準(zhǔn)化的制造工藝帶來了更好的成本結(jié)構(gòu)。
用于沉積直徑達(dá) 550mm激光光學(xué)元件的大型離子束濺射機(jī)。來自LASEROPTIK與ELI-ERIC設(shè)施的涂層工程師和科學(xué)家正在合作開發(fā)具有更高的激光誘導(dǎo)損傷閾值 (LIDT) 的光束傳輸鏡，以防止大尺寸光學(xué)器件受損。
從簡(jiǎn)化集成中受益的增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)之一是增材制造，該技術(shù)具有精確的速度和極少的浪費(fèi)。
另一個(gè)正在上升的應(yīng)用領(lǐng)域尚未進(jìn)入商業(yè)成熟期。
Laurutis說：“高能激光系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)支持量子技術(shù)，可用于冷卻原子和離子、捕獲和產(chǎn)生糾纏。市場(chǎng)仍處于新興階段，在成本、可擴(kuò)展性和尺寸方面還有許多問題需要解決。”
LIDT 塑造光學(xué)性能
大型光學(xué)器件并非只與高能應(yīng)用相關(guān)。對(duì)于許多實(shí)驗(yàn)和前沿研究工作而言，向大型光學(xué)器件的轉(zhuǎn)變自然意味著傳統(tǒng)（較小）光學(xué)元件無法適應(yīng)高功率激光應(yīng)用的增加。
不過，在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中，現(xiàn)有光學(xué)元件技術(shù)在現(xiàn)有外形尺寸內(nèi)仍有提升功率和能量的空間。工業(yè)應(yīng)用傾向于優(yōu)先考慮吞吐量，因此強(qiáng)調(diào)可靠的、通常較高的重復(fù)率、高能量/功率性能，以提供可重復(fù)的結(jié)果或規(guī)格。而且這些應(yīng)用需要較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行。
通快公司的Ryba說：“在工業(yè)、研究和國(guó)防行業(yè)，高功率光學(xué)器件面臨的兩大挑戰(zhàn)是光學(xué)涂層和熱管理。這兩項(xiàng)挑戰(zhàn)可能會(huì)導(dǎo)致功率損耗和焦距偏移，但在最糟糕的情況下，它們可能會(huì)導(dǎo)致元件故障。”
通常情況下，任何激光系統(tǒng)中都有一些地方的能量/功率密度高于其他地方。盡管這取決于系統(tǒng)的幾何形狀，但有些光學(xué)器件很容易改變。而其他光學(xué)元件則是接觸式的，或者是組裝在一起的。
“對(duì)于高功率應(yīng)用，通常會(huì)盡可能避免使用透射元件。反射更高的功率和能量比通過材料傳輸更容易。”Vandendriessche說，“這意味著反射鏡是最重要的，也是我們銷售量最大的元件。”
雖然相對(duì)較少的透射聚焦元件和濾波器的制造仍極具挑戰(zhàn)性，但大功率系統(tǒng)中的反射鏡可以是平面鏡、凹面鏡或離軸拋物面鏡。由于一個(gè)部件的故障很可能導(dǎo)致多個(gè)部件的損壞，因此 LIDT 是一個(gè)需要量化的關(guān)鍵參數(shù)。這種測(cè)量方法基于統(tǒng)計(jì)分析，通過在不同能量水平下對(duì)大量樣品進(jìn)行測(cè)試，確定發(fā)生損壞的閾值。
然而，目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對(duì)LIDT的定義模棱兩可，可能會(huì)讓制造商和終端用戶無所適從，得不到保護(hù)。分類標(biāo)準(zhǔn)包括“明顯損壞”等術(shù)語。
Vandendriessche表示，ISO 21254標(biāo)準(zhǔn)仍然是規(guī)定LIDT的最常用方法，盡管其缺點(diǎn)已廣為人知。他說，目前正在努力更新該標(biāo)準(zhǔn)，使其更適用于當(dāng)今使用的高功率激光所面臨的挑戰(zhàn)。
目前，設(shè)計(jì)師和工程師們正在盡可能采用實(shí)際應(yīng)用測(cè)試來替代該標(biāo)準(zhǔn)。在涂層設(shè)計(jì)和熱管理方面，多物理場(chǎng)仿真通常是確保高能光學(xué)器件適用于不同應(yīng)用的第一步。
通快公司光學(xué)和傳感器產(chǎn)品經(jīng)理Martin Stambke表示，歸根結(jié)底，只有在盡可能接近現(xiàn)實(shí)的條件下進(jìn)行的試驗(yàn)才能帶來可靠性。使用隨時(shí)間變化的苛性堿和功率測(cè)量進(jìn)行全面的系統(tǒng)表征更為先進(jìn)，或者通常在試驗(yàn)的后期進(jìn)行。
光學(xué)設(shè)計(jì)師的工具包中有多種失效損壞機(jī)制，因此選擇正確的測(cè)試條件至關(guān)重要。為某些應(yīng)用收集可靠的數(shù)據(jù)可能需要對(duì)光學(xué)元件的整個(gè)涂層進(jìn)行光柵掃描，這需要時(shí)間和資源。此外，由于光學(xué)元件通常設(shè)計(jì)為能夠有效工作數(shù)千小時(shí)，因此必須考慮特定應(yīng)用的實(shí)際條件。但是，只有少數(shù) LIDT 服務(wù)提供商能提供加速壽命測(cè)試程序，并通過建模預(yù)測(cè)壽命分析。
Altechna的Laurutis 認(rèn)為，ISO LIDT測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的制定和定期更新有助于統(tǒng)一所需的測(cè)試類型。他說："仍需要對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性修訂，以保證 LIDT 結(jié)果的一致性和可靠性。"與此同時(shí)，我們?cè)诤艽蟪潭壬弦蕾嚳蛻舻姆答仯约皩?duì)LIDT測(cè)試提供商優(yōu)劣進(jìn)行比較的能力。
Laurutis說："在涉及超高能量系統(tǒng)的情況下，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己無法保證光學(xué)涂層的耐用性。
"這種情況可能需要我們進(jìn)一步開發(fā)，迫使客戶以較低的功率水平運(yùn)行系統(tǒng)，或者需要更頻繁地更換光學(xué)器件，從而導(dǎo)致停機(jī)時(shí)間、費(fèi)用和精力的增加。
未來趨勢(shì)
特別是在工業(yè)應(yīng)用中，嚴(yán)格而頻繁的質(zhì)量控制實(shí)踐對(duì)于保持最高標(biāo)準(zhǔn)的抗激光誘導(dǎo)損傷能力至關(guān)重要。在制造階段和成品評(píng)估過程中，光學(xué)器件有助于完成這項(xiàng)任務(wù)。
通快激光與系統(tǒng)技術(shù)股份公司激光技術(shù)銷售支持主管Andrey Andreev說，他認(rèn)為高能激光光學(xué)的下一波發(fā)展將涉及 “更智能”的光學(xué)。這包括傳感器設(shè)備的優(yōu)化。
Andreev說：“我們即將開發(fā)與工藝流程傳感器有關(guān)的產(chǎn)品，包括人工智能方法、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)——所有這些對(duì)于生產(chǎn)過程中的過程鏈都非常重要。”
對(duì)于這類傳感器系統(tǒng)，例如基于機(jī)器視覺或OCT的傳感器系統(tǒng)，防反射涂層將變得更加復(fù)雜，尤其是在涉及分光鏡和掃描鏡時(shí)，因?yàn)橥繉犹匦缘慕嵌纫蕾囆浴?/p>
此外，隨著高功率激光系統(tǒng)在性能、效率和應(yīng)用多樣性方面的不斷提高，先進(jìn)傳感器在監(jiān)控和優(yōu)化這些系統(tǒng)方面的重要性也在不斷增加。這些傳感器有助于提高激光器的功能，并對(duì)這些系統(tǒng)不可或缺的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
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