定义
开发激光设备的过程。
本文讨论了开发激光设备的过程。 它不关注任何特定的技术细节,而是解决安排高效开发过程的更普遍的问题。
许多方面以非常相似的形式适用于其他类型的光子器件,例如参数振荡器。
精心设计的激光器开发过程对于工业激光器尤为重要。 对于科学激光器,可能会遇到更具挑战性的性能要求,而其他各方面的要求可能会更宽松。 例如,工业激光应用通常需要最高的可靠性。
激光开发的系统程序
非系统的激光开发方法可能由于多种原因而失败。 如下所述的系统程序在时间和资源方面可能更有效:
需求评估
第一步是仔细评估究竟需要什么。 在此阶段实现所有要求至关重要,因为在稍后阶段引入激光器的其他特性可能会花费更多。
例如,可以考虑将脉冲激光器用于精确脉冲定时至关重要的应用。 如果在一开始就忽略了这一要求,那么在最坏的情况下,人们可能会选择一种技术方法,这使得很难达到所需的定时精度。 然后,人们可能被迫实施昂贵的额外措施,或者在稍后阶段改变技术方法。
技术的适用性
第二步是检查所设想的技术总体上是否合适,也许将所选择的方法与竞争性备选方案进行比较。 这一步是必不可少的,因为在这个阶段犯的错误会影响整个开发过程。 因此,严格要求经验丰富的激光工程师。
例如,在许多情况下,某种激光器可以实现为体激光器或光纤激光器。 这两种技术都有特定的优点和局限性,其相关性在很大程度上取决于具体情况。
制定原型设计
由于激光设备的复杂性及其物理基础,激光开发项目的有效性、速度和成本在很大程度上取决于结构良好的过程。 关键的一点是在开始时进行可靠的激光设计工作,而不仅仅是对已经很严重的问题的反应。 因此,激光设计不是复杂开发过程的结果,而是其基础,以及下一个项目的宝贵投入。
下一步是制定可用于构建原型的详细激光设计。 该过程涉及在开始任何实验室工作之前对各种问题进行定量检查。
例如,如果开发被动锁模体激光器,则此过程可以包括有关泵浦强度和激光增益(在不同波长下)、阈值泵浦功率、谐振器中色散和非线性的平衡、预期的对准灵敏度、SESAM所需的调制深度的计算(不一定是详细的建模)。、SESAM 关于饱和度、脉冲整形强度等的整体操作点。
这样的计算远远超出了用简单的计算器所能完成的;通常需要激光建模软件。 使用这样的工具,可以在非常早期的阶段识别各种问题,然后强制执行设计更改,直到获得没有许多可预见问题的设计。
这个设计阶段的“可交付成果”是一份清晰的书面设计报告,不仅包含建议原型的所有参数,还清楚地描述了设计背后的原因,以及可能的局限性、一些警告、所需零件列表等。
构建和测试原型
实验室测试通常是激光器开发中最昂贵和最耗时的过程。因此,最大限度地提高其效率,例如与同事一起制定激光设计可以节省大量资源和时间。
一旦阀门制定了原型设计,就可以按照激光设计中的详细规定订购所需的零件并构建原型。 显然,在没有适当的原型设计的情况下开始该阶段是低效的,例如,因为在实验室测试阶段可能需要订购额外的组件(导致额外的成本和延误),并且因为各种类型的问题将更难识别和解决。
原型可能仍然会出现一些不可预见的问题——当然取决于设计阶段应用的谨慎程度和经验。 设计比他要相应地修改后,确定问题的根源和适合他们的解决方案。
在试错过程中基于实验测试的进一步更改来优化设计通常非常耗时。 例如,重新排列激光设置通常需要完全重新对齐,如果更改结果是有害的,则重建原始设计也是如此。 此外,实验结果通常不是决定性的,甚至没有误导性,因为测量的性能值可能会受到控制不佳的影响,例如不理想的对齐、脏部件或温度变化。 由于这些原因,使用计算机上合适的激光设计软件可以更有效、更可靠地评估可能的设计更改的效果。
完成产品设计
由于各种原因,通常需要采取进一步的步骤才能将原型设计转变为最终产品设计:
- 有时,性能要求在开发阶段发生变化,或者只有在那时才发现其他要求。
- 人们可能会发现,对于最终产品来说,某些公差(例如关于错位的公差)仍然过于严格。
- 一般来说,工业激光器设计必须受到比原型更严格的要求,例如关于高效生产、在恶劣条件之前实际应用的足够坚固性以及整体方便客户等方面。
- 人们可能希望通过使用更少或更便宜的组件来最大限度地降低生产成本。
同样,人们将不得不评估各种设计更改的详细效果,当通过实验测试而不是使用激光模型时,这通常更耗时且结论性更低。
用户手册
用户手册必须对最终用户有帮助,而不仅仅是对开发工程师足够清晰!
除设计文档外,可以在所有原型测试和改进之后编写用户手册。 在这里,拥有该设备的所有实践经验已经是一个优势。 然而,重要的是,激光手册的作者能够充分认识到最终用户的需求,他们对设备的技术细节了解较少。 对于激光工程师来说,这方面可能有些挑战;然后,由不熟悉细节的人进行检查可能是非常有利的。
结构化发展战略的优势
这种结构化方法的优点是多方面的:
以及结构化的激光开发策略对于及时完成开发和避免严重的成本超支至关重要。
- 最重要的是,可以以最有效的方式完成昂贵且耗时的实验室工作。 与实验室中的试错法相比,在纸上和/或用计算机更容易识别问题、其原因和合适的解决方案,因为这个过程不受例如可用诊断、设备内部部件的访问或可用的替代光学元件的限制。
- 另一个结果是,激光产品可以更快地进入市场,从而更早地产生收入并使公司在市场上定位。
- 有据可查的激光设计有助于开发团队更多地了解技术细节,并且对于任何进一步的开发都是非常有用的输入 - 即使由其他人员执行。
- 精心规划的开发过程的另一个优点是订购的零件更少,最终未使用。
一个常见的错误是将激光设计文档视为开发过程的副产品,而不是其基础。 这很容易导致实验室中的迭代步骤效率低下,与在早期阶段制定详细设计的过程相比,这可能会消耗更多的时间和资源。