Laser berkekuatan tinggi telah menjadi alat standar dan di mana-mana dalam banyak aplikasi industri, sebagian karena energi yang dikontrol secara tepat yang disediakannya. Tetapi "kekuatan tinggi" bisa menjadi istilah yang sulit untuk diurai, dan seringkali membutuhkan beberapa konteks untuk didefinisikan.
Aplikasi laser sangat membantu dalam menentukan ambang keluaran daya tinggi, karena parameter laser dapat berkisar dari 10-pancaran watt dalam printer 3D hingga 100-kilowatt beam yang dihasilkan oleh laser satelit. Apa yang merupakan fungsionalitas yang kaya untuk satu aplikasi hampir tidak pernah didokumentasikan di aplikasi lain. Ketika diterapkan pada laser dengan panjang gelombang yang berbeda, ketika membandingkan gelombang kontinu dan operasi berdenyut, dan bahkan ketika membandingkan sumber solid-state, gas, atau kristal doping, "daya tinggi" menjadi istilah relatif.
Sinar yang sama yang dapat menembus baja atau dapat menyampaikan sinyal telekomunikasi jarak jauh juga dapat menyebabkan kerusakan serius pada komponen optik sensitif yang memandu dan membentuk cahaya dalam kerangka sistem laser. "Anda harus mengontrol setiap detail kecil terakhir, atau detail kecil itu akan menjadi tempat kerusakan dimulai - dan hal berikutnya yang Anda tahu, Anda telah menghabiskan setengah juta dolar untuk komponen," kata Tim McComb, manajer pengembangan bisnis global di Koheren.
Kontrol kualitas
Sejumlah besar komponen optik diperlukan untuk memastikan sinar laser mencapai bentuk, ukuran, dan intensitas yang diinginkan. Selain lensa yang digunakan untuk memfokuskan dan menyelaraskan berkas, sistem laser biasanya berisi cermin, pempolarisasi, dan pembagi berkas. Masing-masing komponen ini harus dibuat dan dikerjakan secara presisi, dan kemudian diperlakukan dengan lapisan khusus untuk memastikan bahwa produk akhir memiliki karakteristik penyerapan, transmisi, dan refleksi cahaya yang tepat. Tanpa pemantauan yang cermat, setiap tahap fabrikasi, pemolesan, pelapisan, dan pengujian memberikan banyak peluang untuk cacat atau kesalahan yang dapat menyebabkan kegagalan sistem.
Suatu komponen dapat memiliki area yang rusak yang pada dasarnya membuat tautan lemah di seluruh unit optik. Karena cacat menyerap energi yang harus ditransmisikan atau dipantulkan, kegagalan komponen tersebut pada akhirnya dapat menyebar ke seluruh sistem, kata Matthew Dabney, insinyur laser utama di Altamont Optics.
Silau laser juga dapat menyebabkan masalah melalui deformasi optik yang disebabkan oleh panas. Bahkan jika efek ini tidak segera merusak optik yang terpengaruh, efek ini dapat menyebabkan perubahan indeks bias bahan, yang dapat menyebabkan output laser yang terdistorsi atau kurang optimal. Akibatnya, produsen laser perlu mengetahui sejumlah pertimbangan saat menentukan komponen optik untuk sistem laser tertentu.
Pertama adalah pilihan material mereka. Fused silica adalah kaca berkarakteristik sangat baik dengan daya serap sangat rendah dan mudah dibentuk dan dipoles, yang seringkali menjadikannya pilihan terbaik untuk banyak komponen optik transmisif dan reflektif.
"Kami selalu mencoba untuk menggunakan leburan silika ketika kami melakukan aplikasi daya tinggi," kata Dirk Hauschild, direktur penelitian dan pengembangan optik laser di Focuslight. "Anda mendapatkan tingkat kualitas tertinggi, dan lapisan pada leburan silika memiliki ambang kerusakan tertinggi."
Namun, beberapa sistem laser memerlukan alternatif yang lebih khusus. Laser lensa dalam CO 2 berdaya tinggi sering dibuat dari seng selenida, yang menunjukkan kinerja kuat dalam inframerah kuat, tetapi dapat lebih sulit digunakan. Seperti bahan optik lainnya, seng selenida harus dibentuk dan dihaluskan dengan tepat. Cacat permukaan kecil dapat menyebabkan masalah kinerja atau, lebih buruk lagi, penumpukan lokal karena energi dan panas laser. Hauschild mengatakan ini dapat menekan substrat, yang dapat menyebabkan lapisan apa pun retak dan terbakar. "Untuk aplikasi berdaya sangat tinggi, satu cacat dapat menghancurkan seluruh optik."
Menghilangkan cacat seperti itu membutuhkan proses penggilingan dan pemolesan yang cermat, diikuti dengan kontrol kualitas yang cermat, kata Emiliano Ioffe, manajer pengembangan dan rekayasa proses IR Ophir, yang perusahaannya biasanya menargetkan nilai kekasaran permukaan kurang dari 1 nm pada komponennya, tanpa boleh menggores atau mencongkel. . Hal ini sangat menantang saat menggunakan bahan silika non-leburan, dan Ioffe mengatakan timnya harus mengembangkan proses pemolesan khusus untuk optik seng selenida yang digunakan dalam laser CO 2 perusahaan, terutama saat menyiapkan bahan untuk optik asferis yang telah menjadi lensa yang semakin populer. .
Permukaan yang sangat halus ini kemudian harus dilapisi secara seragam dengan pelapis khusus yang memberikan sifat reflektif atau antireflektif yang tepat pada komponen. hauschild mengatakan bahwa pelapis seringkali merupakan mata rantai terlemah dalam desain. Karena sangat tipis, mereka dapat retak, dan dapat mengubah sifat material dari waktu ke waktu. Akibatnya, pelapis yang dipilih atau diterapkan dengan buruk dapat meniadakan kerja keras yang diperlukan untuk menghasilkan lensa atau cermin yang sempurna.
Selain sifat penyerapan dan pantulannya, pelapis harus dipilih untuk kinerja optimal pada panjang gelombang tertentu. "Untuk ultraviolet, tiga atau empat bahan biasanya digunakan, sedangkan untuk inframerah, ada tiga atau empat bahan yang sangat berbeda," kata Dabney.
Dalam banyak kasus, komponen harus menerima banyak lapisan dari lapisan yang berbeda untuk meningkatkan kinerja optik yang diinginkan, tetapi peningkatan tersebut mungkin memerlukan pengorbanan. "Anda dapat menambahkan lebih banyak lapisan untuk meningkatkan reflektifitas cermin, tetapi ketika Anda menambahkan lapisan, mereka juga menyerap, sehingga Anda kehilangan sebagian dari cahaya yang diserap," kata Ioffe. "Selalu ada keseimbangan antara penyerapan dan refleksi dan transmisi."
Lapisan multilayer juga harus dirancang dengan hati-hati untuk menghindari puncak kekuatan medan listrik pada antarmuka antar lapisan, yang dapat membahayakan integritas lapisan dan pada akhirnya menyebabkan kegagalan komponen.
Menemukan jari yang berarti
Mempertahankan kontrol kualitas tingkat tinggi saat memproduksi dalam skala komersial tidak pernah mudah. Untuk beberapa metrik kinerja dasar, seperti penyerapan, tidak ada standar universal yang dapat digunakan perusahaan. "Anda tidak dapat membeli sampel dengan tingkat penyerapan tertentu sebagai sistem kalibrasi utama," kata Ioffe. "Kami telah mengembangkan dan membangun sistem sendiri untuk mengukur penyerapan, pergeseran fasa, pemantulan, dan transmisi pada berbagai sudut dan polarisasi yang berbeda."
Kurangnya standar universal sangat bermasalah untuk mengevaluasi ambang kerusakan yang diinduksi laser (LIDT), metrik yang menggambarkan tingkat energi maksimum yang dapat ditahan oleh komponen tertentu sebelum mengalami kerusakan terukur.
"Ada beberapa standar ISO [Organisasi Internasional untuk Standardisasi] yang berlaku, tetapi ini tidak cukup untuk benar-benar membuat uji ambang batas kerusakan laser yang konsisten," kata Dabney, anggota inisiatif Institut Standar Nasional Amerika (ANSI) untuk mengembangkan lebih banyak standar tes rinci.
Hauschild selanjutnya mengatakan bahwa standar ini mungkin tidak cocok untuk mengevaluasi LIDT optik, karena desain laser baru terus mendorong batas kinerja keluaran.
LIDT secara langsung dipengaruhi oleh komposisi, kualitas, dan lapisan optik itu sendiri, serta panjang gelombang dan kekuatan sinar yang dipengaruhinya. Tetapi faktor-faktor lain juga ikut bermain. Misalnya, ukuran dan bentuk balok dapat mengubah ambang tergantung pada berapa banyak energi yang didistribusikan pada area permukaan komponen tertentu. Beberapa faktor ini dapat dimodelkan secara matematis, tetapi penilaian LIDT yang akurat pada akhirnya membutuhkan pengujian langsung terhadap komponen itu sendiri.
Di situlah kurangnya standardisasi dalam pengujian LIDT masuk. Saat ini, kata Dabney, standar ISO mendefinisikan LIDT sebagai "tampak rusak. Tapi itu membuka pintu bagi produsen terkenal untuk menjual optik dengan LIDT tinggi yang tidak realistis dengan menjaga prosedur penilaian kerusakan dangkal. " Anda tidak mendapat imbalan karena terlihat berusaha lebih keras-Anda sebenarnya dihukum," katanya. Akibatnya, LIDT harus digunakan sebagai panduan informasi, bukan target untuk kondisi operasi rutin. Hauschild mengatakan timnya biasanya menjalankan sistem lasernya dengan kerapatan daya jauh di bawah LIDT untuk memastikan stabilitas jangka panjang.
Dengan kekuatan besar datang tanggung jawab besar, dan pengguna harus merancang sistem laser mereka dengan hati-hati agar komponen yang gagal tidak menyebabkan bencana. "Salah satu masalah besarnya adalah jika orang tidak mengatur beamline mereka dengan benar, Anda bisa mendapatkan umpan balik untuk menghilangkan laser," kata Dabney. Misalnya, komponen yang tidak berfungsi dapat menyebabkan pancaran secara tidak sengaja dipantulkan kembali ke sumber cahaya oleh cermin.
"Biayanya $100,000 untuk laser karena hanya ada $100 suku cadang," kata Dabney. Oleh karena itu, sumber laser harus diisolasi untuk mencegah kejadian pantulan balik tersebut.
Pemeliharaan dan pemantauan rutin sistem laser dan komponennya juga penting. Misalnya, dalam aplikasi pemrosesan bahan, jendela pelindung pada laser berdaya tinggi cenderung mengakumulasi kontaminan dari bahan yang sedang diproses, dan harus diganti secara berkala untuk mencegah kerusakan yang memungkinkan kontaminan yang sama merembes ke dalam laser itu sendiri. Selain mengoperasikan laser di bawah daya puncak untuk meminimalkan tekanan pada sistem, Hauschild merekomendasikan penggunaan detektor yang dapat memantau suhu sistem atau merasakan bukti hamburan cahaya tak terduga yang mungkin mengindikasikan kegagalan komponen yang akan datang.
Sistem laser berdaya tinggi tidaklah murah. Tetapi upaya untuk mengambil jalan pintas pada komponen yang dapat dibuang kemungkinan akan kembali menghantui pengguna akhir, yang menanggung biaya pemeliharaan, perbaikan, dan penggantian sistem.
"Jika Anda didorong oleh kekuatan, maka Anda akan membayar untuk itu," kata Dabney, tetapi dia juga menunjukkan bahwa ini harus mendorong konsumen laser untuk berpikir dua kali tentang berapa banyak daya yang sebenarnya mereka butuhkan untuk aplikasi khusus mereka. "Jika Anda bisa bertahan di bawah level tertentu, maka Anda bisa menabung sedikit," katanya.
Sementara sistem laser tertentu pasti akan terus mendorong batas daya - yang dirancang untuk aplikasi pertahanan atau penelitian fusi, misalnya - Hauschild mengatakan dia juga melihat potensi solusi alternatif untuk beberapa pengguna industri. Dalam beberapa kasus, misalnya, beberapa laser yang beroperasi pada daya puncak yang lebih rendah dapat memberikan produktivitas serupa dengan biaya lebih rendah. “Pertanyaannya bukan hanya apakah kita harus terus meningkatkan daya, tetapi juga bagaimana kita menggunakannya dengan cara yang efisien,” katanya.
