導讀：隨著力量和能量的增加，物理閾值面臨更嚴格的考量。光學設計也必須做出相應調整。
“高功率”的含義因行業(yè)而異。例如，工業(yè)應用所需的高功率與生物醫(yī)學領域所需的高功率大相徑庭。
高功率的可識別屬性也因應用而異。清潔能源研究優(yōu)先考慮極端能源水平下的精度和控制，而軍事和國防部門則將重點放在光束質量和環(huán)境適應性上。
角立方體逆反射器可在大范圍的入射角上進行關系密逆反射，這在難以實現(xiàn)精確對準或存在振動的應用中非常有用。
工業(yè)應用需要在功率、成本和安全之間取得平衡。該領域通過提高切割、焊接和材料加工等主要工藝的效率和精度來實現(xiàn)高功率。由于該領域的需求和應用，工業(yè)功率水平無法與能源研究和國防領域使用的功率相提并論。
不過，在尋求實現(xiàn)、部署和優(yōu)化高功率源性能的過程中，仍然會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技術領域的進步。
工業(yè)需求
供應和市場需求是工業(yè)激光器發(fā)展的共同驅動力。半導體制造業(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的激光器。
這種需求也決定了激光光學元件的的性能規(guī)格。這些元件的制造商努力生產出聚焦更精細、必要時功率更大、耐用性更強的光學器件。
高功率激光系統(tǒng)越來越容易受到激光誘導的損傷，例如玻璃表面的損傷，這是使用微分干涉對比顯微鏡捕獲的。
在Edmund Optics公司，這種動態(tài)往往會引發(fā)有關實際部署高功率光源和激光光學器件的問題。該公司激光光學業(yè)務集團高級主管斯特凡·范德林斯（Stefaan Vandrenriessche）表示，每當工業(yè)激光制造商準備向新一代高能系統(tǒng)邁進時，熟悉的問題就會再次浮現(xiàn)。
其中包括：“這么大的功率能做什么？”以及“你會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)激光技術的發(fā)展，不如說是開發(fā)商和制造商在開發(fā)新產品時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)領域的客戶就會迅速發(fā)現(xiàn)新功率等級所帶來的新應用。
盡管由于物理定律或生產需求的原因，一些標準工藝（例如1至12kW范圍內的工藝）已經(jīng)達到了其極限，但在持續(xù)推動新的高功率激光需求和應用的背后，還存在其他因素。
通快北美激光器高級產品經(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，因為激光的熱影響區(qū)更小，零件更清潔，二次應用更靈活?！?br/>
在大多數(shù)情況下，20kW和30kW激光器的高光束質量遠優(yōu)于切割性能和光束質量相對較低的40kW和50kW激光器。但航空航天焊接、電動汽車生產以及重型機械和農業(yè)設備的大幅增加，使得對10-20kW激光器的需求不斷增加。
Ryba說：“電動汽車和儲能裝置需要使用厚銅母線，這就需要高功率和優(yōu)良的光束質量，而薄箔堆疊則需要高功率可見光波長激光器來實現(xiàn)有效焊接?！?br/>
先進的制造應用也需要更高的功率。Ryba說，通快的極紫外（EUV）項目需要功率大于120千瓦的CO2激光器進行光刻?，F(xiàn)代計算機芯片通常采用納米尺寸，制造商使用紫外準分子激光器生產芯片，要想制造出更小的結構尺寸（小于 10 納米），就需要使用更短的 EUV 波長。
然而，在芯片制造廠生產的13.5nm臨界波長的等離子體輻射需要數(shù)兆瓦的峰值脈沖功率。而使用放大器增強的CO2激光脈沖平均功率僅為幾瓦，便能達到這一水平。
電動汽車和儲能裝置使用厚銅母線，這需要高功率和優(yōu)良的光束質量，而薄金屬箔堆則需要高功率可見光波長激光器進行有效焊接。
激光性能的核心考慮因素可能因行業(yè)而異。定向能源和國防領域對高功率和光束質量的要求很高。在工業(yè)領域，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)使用了五個放大器將功率提高了10,000倍，從而產生了數(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)每小時可處理>100塊基板。
跨領域進展
定向能源和國防應用是對高功率和激光束質量的要求最高的領域之一。以技術發(fā)展的典型方式，制造商從嚴格的技術發(fā)展中獲得的見解通常會影響商業(yè)產品的設計。
Edmund公司的Vandrenliessche說：“國防和工業(yè)對光學元件的要求有很大的重疊。這種技術的涓滴效應表現(xiàn)在高功率激光演示裝置首次出現(xiàn)在國防應用中，隨后又被納入工業(yè)產品中，并延伸到光學元件本身?！?br/>
歐盟資助建立的三個大型激光設施就是一個真實的例子。這些可提供千萬瓦級激光功率的設施中的大型激光源對于科研界來說是一個至關重要的資源。根據(jù)設想，這些基礎設施將推動粒子加速、藥物發(fā)現(xiàn)和基礎科學研究方面取得進展。
除了與科研有明確的聯(lián)系之外，超高功率、高能量系統(tǒng)使用的光學元件也展示了大量的行業(yè)專有技術。
LASEROPTIK GmbH 涂層設計團隊負責人Thomas Willemsen說：“激光器的高輸出功率對光學元件提出了極高的要求，例如將激光束引導到不同目標腔室以進行相應實驗所需的光束傳輸鏡。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（歐盟資助的三家機構之一）的激光科學家正在合作開發(fā)具有改進的激光誘導損傷閾值（LIDT）和其他特性的光束傳輸鏡，以防止大尺寸光學器件的損壞。合作團隊在LASEROPTIK GmbH公司建造了一個新穎的大尺寸濺射鍍膜室。Willemsen說：“首先在小尺寸光學器件上制造了幾種設計策略，并在ELI-ERIC的專用激光干涉儀測量裝置上進行了測試。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的真空管中再次進行測試?！?/p>
盡管這些合作的目標仍然是一個瓶頸，但旨在管理巨大能量輸出而不損壞單個光學器件的跨部門研究項目的頻率仍然很高。應對這一挑戰(zhàn)的努力包括研究先進的材料和涂層、提高表面質量的制造技術以及先進的冷卻技術。
如今，開發(fā)激光反射鏡以改進LIDT是一個廣泛而活躍的領域。世界各地的研究小組正在開發(fā)新的設計策略，并對沉積技術的工藝參數(shù)進行評估，以進一步改進介電層堆疊。
這本身就是一項挑戰(zhàn)，因為介電層堆疊會帶來機械張力。根據(jù)所選涂層技術的不同，涂層應力可能是拉伸應力，也可能是壓縮應力。大型干涉儀提供了一種可靠的工具，用于測量表面平整度以及對人造光學器件波面的影響。
Willemsen說：“如果涂層應力過高，可以采用幾種策略來平衡涂層應力。例如，可以使用預彎基板，或者在背面沉積經(jīng)過精心計算的應力補償層。”
Willemsen說，通常情況下，在633納米波長、大于300毫米的孔徑上，表面平整度必須小于λ/10，才能實現(xiàn)高能應用的最佳性能。
供應洞察
高能光源路線圖的其他考慮因素包括激光系統(tǒng)在新興應用領域的存在以及新興領域的供應需求。在供應方面，光學元件開發(fā)商 Altechna 的首席執(zhí)行官 Antanas Laurutis認為，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，是因為激光系統(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用領域。
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準化的制造工藝帶來了更好的成本結構。
用于沉積直徑達 550mm激光光學元件的大型離子束濺射機。來自LASEROPTIK與ELI-ERIC設施的涂層工程師和科學家正在合作開發(fā)具有更高的激光誘導損傷閾值 (LIDT) 的光束傳輸鏡，以防止大尺寸光學器件受損。
從簡化集成中受益的增長最快的市場之一是增材制造，該技術具有精確的速度和極少的浪費。
另一個正在上升的應用領域尚未進入商業(yè)成熟期。
Laurutis說：“高能激光系統(tǒng)和光學系統(tǒng)支持量子技術，可用于冷卻原子和離子、捕獲和產生糾纏。市場仍處于新興階段，在成本、可擴展性和尺寸方面還有許多問題需要解決?！?/p>
LIDT 塑造光學性能
大型光學器件并非只與高能應用相關。對于許多實驗和前沿研究工作而言，向大型光學器件的轉變自然意味著傳統(tǒng)（較?。┕鈱W元件無法適應高功率激光應用的增加。
不過，在大多數(shù)工業(yè)應用中，現(xiàn)有光學元件技術在現(xiàn)有外形尺寸內仍有提升功率和能量的空間。工業(yè)應用傾向于優(yōu)先考慮吞吐量，因此強調可靠的、通常較高的重復率、高能量/功率性能，以提供可重復的結果或規(guī)格。而且這些應用需要較長時間的運行。
通快公司的Ryba說：“在工業(yè)、研究和國防行業(yè)，高功率光學器件面臨的兩大挑戰(zhàn)是光學涂層和熱管理。這兩項挑戰(zhàn)可能會導致功率損耗和焦距偏移，但在最糟糕的情況下，它們可能會導致元件故障?！?br/>
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，但有些光學器件很容易改變。而其他光學元件則是接觸式的，或者是組裝在一起的。
“對于高功率應用，通常會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?！盫andendriessche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。由于一個部件的故障很可能導致多個部件的損壞，因此 LIDT 是一個需要量化的關鍵參數(shù)。這種測量方法基于統(tǒng)計分析，通過在不同能量水平下對大量樣品進行測試，確定發(fā)生損壞的閾值。
然而，目前國際標準化組織（ISO）對LIDT的定義模棱兩可，可能會讓制造商和終端用戶無所適從，得不到保護。分類標準包括“明顯損壞”等術語。
Vandendriessche表示，ISO 21254標準仍然是規(guī)定LIDT的最常用方法，盡管其缺點已廣為人知。他說，目前正在努力更新該標準，使其更適用于當今使用的高功率激光所面臨的挑戰(zhàn)。
目前，設計師和工程師們正在盡可能采用實際應用測試來替代該標準。在涂層設計和熱管理方面，多物理場仿真通常是確保高能光學器件適用于不同應用的第一步。
通快公司光學和傳感器產品經(jīng)理Martin Stambke表示，歸根結底，只有在盡可能接近現(xiàn)實的條件下進行的試驗才能帶來可靠性。使用隨時間變化的苛性堿和功率測量進行全面的系統(tǒng)表征更為先進，或者通常在試驗的后期進行。
光學設計師的工具包中有多種失效損壞機制，因此選擇正確的測試條件至關重要。為某些應用收集可靠的數(shù)據(jù)可能需要對光學元件的整個涂層進行光柵掃描，這需要時間和資源。此外，由于光學元件通常設計為能夠有效工作數(shù)千小時，因此必須考慮特定應用的實際條件。但是，只有少數(shù) LIDT 服務提供商能提供加速壽命測試程序，并通過建模預測壽命分析。
Altechna的Laurutis 認為，ISO LIDT測試標準的制定和定期更新有助于統(tǒng)一所需的測試類型。他說："仍需要對現(xiàn)有標準進行實質性修訂，以保證 LIDT 結果的一致性和可靠性。"與此同時，我們在很大程度上依賴客戶的反饋，以及對LIDT測試提供商優(yōu)劣進行比較的能力。
Laurutis說："在涉及超高能量系統(tǒng)的情況下，我們可能會發(fā)現(xiàn)自己無法保證光學涂層的耐用性。
"這種情況可能需要我們進一步開發(fā)，迫使客戶以較低的功率水平運行系統(tǒng)，或者需要更頻繁地更換光學器件，從而導致停機時間、費用和精力的增加。
未來趨勢
特別是在工業(yè)應用中，嚴格而頻繁的質量控制實踐對于保持最高標準的抗激光誘導損傷能力至關重要。在制造階段和成品評估過程中，光學器件有助于完成這項任務。
通快激光與系統(tǒng)技術股份公司激光技術銷售支持主管Andrey Andreev說，他認為高能激光光學的下一波發(fā)展將涉及 “更智能”的光學。這包括傳感器設備的優(yōu)化。
Andreev說：“我們即將開發(fā)與工藝流程傳感器有關的產品，包括人工智能方法、狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲——所有這些對于生產過程中的過程鏈都非常重要。”
對于這類傳感器系統(tǒng)，例如基于機器視覺或OCT的傳感器系統(tǒng)，防反射涂層將變得更加復雜，尤其是在涉及分光鏡和掃描鏡時，因為涂層特性的角度依賴性。
此外，隨著高功率激光系統(tǒng)在性能、效率和應用多樣性方面的不斷提高，先進傳感器在監(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，并對這些系統(tǒng)不可或缺的光學系統(tǒng)產生深遠影響。
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