激光设计 Laser design

2022-10-18 15:30:02 浏览:159

定义

激光设备的设计,或制定此类设计的过程。

术语设计可以有两种不同的含义。 在某些情况下,它意味着对设备的详细描述,包括例如二手零件、它们是如何组合在一起的以及重要的操作参数。 在其他情况下,该术语表示导致这种描述的过程。 本文在设计激光器件(如二极管泵浦固态激光器)或类似器件(如光参量振荡器)时讨论了这两个方面。 关于激光开发的另一篇文章提供了更多信息。

从制造这种激光器的配方意义上的激光设计显然是必不可少的。 此外,根据设计生成的方式,激光器的制造和调试可能是高效可靠的,也可能是耗时的,昂贵的和充满惊喜的。 显然,设计过程应该能够最大限度地减少成本和所需时间以及各种风险。 然而,这并非易事。本文为四种如何使激光设计高效可靠提供了有用的指南。

定义设计目标

在进行设计之前,必须仔细评估设计目标。 这些不仅应包括输出功率和波长等核心性能参数;更多细节可能是相关的:

本质

激光产品的设计细节会对其性能、可靠性、灵活性和制造成本产生重大影响。 对于高效的开发过程,至关重要

  • 了解所有设计目标,
  • 了解达到它们所需的设计属性,
  • 并使用适当的激光设计(在开始时制定)
  • 最佳性能,例如输出功率、功率效率、光束质量、亮度、强度和/或相位噪声、长期稳定性(例如输出功率或光频率)、定时抖动等。
  • 紧凑方便的设置,易于操作(例如简单的开启程序,简单的波长调谐,无需重新对准)
  • 最大的灵活性(例如,用于更改操作参数)
  • 可靠性高,维护要求低,简单且具有成本效益的错误分析,维护和维修
  • 对振动、温度变化、电磁干扰、组件老化的敏感性最低
  • 生产成本低,即零件数量少,校准和测试简单,避免使用昂贵,敏感或难以获得的零件

在投入任何大量资源进行激光开发之前,当然建议仔细制定特定情况下的这些要求列表,因为在现有设备中引入其他特性很容易更加昂贵和耗时。

激光设计的重要方面

所设计的激光设备的性能在很大程度上取决于设计细节,而不仅仅是所使用的部件。 有些方面特别重要:

  • 一般设计参数,如谐振器长度(影响紧凑性、调谐问题、频率稳定性等)、泵浦强度
  • 选择激光增益介质(例如激光晶体)和泵浦源,选择合适的几何形状(例如棒或薄盘,侧泵浦或端泵),掺杂浓度,晶体长度等。
  • 泵浦设置(例如二极管泵浦激光器),影响输出功率和光束质量、长期稳定性以及更换泵浦二极管的便利性
  • 激光谐振器的最佳类型(例如线性或环形激光器,单片或离散元件)和优化的谐振器设计,影响部件数量、输出功率和光束质量、对准公差、对热透镜灵敏度、机械稳定性和漂移等方面
  • 选择和放置激光反射镜和腔内组件,用于波长调谐、通过模式锁定产生短脉冲、色散补偿、频率稳定等。
  • 机械外壳,影响机械稳定性、冷却效率、温度漂移、易于维护和安全问题
  • 电子设备,例如用于稳定输出功率、控制激光波长、监控泵浦二极管的状态或温度、确保安全运行
  • 适当的文档,包括零件清单(可能与供应商一起)、机械设计、校准和测试程序、设计理念、可能的可选扩展和修改操作参数的限制

这份清单当然还不完整,表明正确的激光设计并非易事,但对于实现完全的客户满意度、成本效益和未来开发的灵活性至关重要。

设计激光器需要什么

设计激光器是一项具有挑战性的任务。 以下内容肯定是必需的:

  • 对要求有详细的了解,其中可能包括对应用程序的一些了解
  • 详细了解所有相关的激光物理效应,如激光放大、热透镜、谐振器模式、激光噪声等,以及它们的相互作用
  • 基本数据,例如激光晶体
  • 能够在不丢失重要细节的情况下将复杂性降低到实际水平
  • 灵活的计算和模拟软件
  • 激光的实践经验,使人们能够识别典型问题,正确解释实验观察等。

很明显,仅靠软件并不足以制定出好的激光设计。

设计在开发项目中的角色

将激光设计视为主要基于反复试验的开发过程的结果是常见的做法,但通常不建议这样做。 然后,设计起着次要的作用,只是总结了一个漫长过程的结果。 在这种情况下,设计通常甚至没有适当的文档记录,这会产生丢失大量潜在有价值的信息的风险,同时目前只能节省少量时间。

在任何非平凡的设计项目中 - 激光设计项目几乎从来都不是微不足道的 - 非常可取的是将激光设计赋予至关重要的作用:

  • 激光设计是在办公室而不是实验室进行的,并正确处理所有可能或变得相关的已知问题。 虽然这个过程比实验室中的试错法更快、更便宜,但它需要一些相当多的纪律,当然需要全面的专业知识。
  • 一个正确的设计不仅仅是一套想法,而是一个非常具体的描述,包括例如所需零件的列表,或多或少详细的关于如何将它们组合在一起的详细规定,如果这不是微不足道的,并且理想情况下辅以对基本推理的描述,对限制的讨论等。
  • 然后根据设计制造原型,反之亦然。 这大大加快了制造速度,从而有效利用了昂贵的实验室资源。
  • 对于任何类似的未来开发,精心制定的设计将是一个非常有价值的投入。 如果它不存在,特别是如果另外一个重要的人离开了公司,未来的发展效率将大大降低。

尝试简化此过程会带来性能值降低和由于意外技术问题而导致时间延迟较大的风险。 这些问题越晚被识别、理解和解决,由此造成的损害就越大。

从旧设计派生设计

在工业开发中,通常从旧设计中得出一些产品设计,而不是从头开始。 虽然这看起来非常经济,但存在重大风险,特别是在第一个设计没有在上述过程中正确制定和记录的情况下。 一个核心挑战是修改激光设计的某些细节可能很容易产生意想不到的副作用,引入新的问题,然后需要额外的措施,这又会产生副作用。

出于这些原因,从一些初始设计开始,例如在低于期望的输出功率下工作,可能会有所帮助,但它仍然需要详细了解该设计及其局限性。 初始设计的正确设计文档可以轻松生成整个设计系列,这些设计在输出功率或脉冲重复率等方面有所不同。

设计评审

在某些情况下,对现有的激光器设计进行审查可能是合适的。 例如,当发生重大问题时,或者当需求增加并且可能通过修改设计而不是全新的设计来满足时,就会出现这种情况。 如果尚不存在正确记录的设计,那么是时候完成这项工作了;这个过程可能已经提供了关于要改进的重要提示。

激光物理

作          者: 泮桥成像光电商城

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