Waarom neemt het laservermogen af?

Laservermogensverzwakking is een veelvoorkomend verschijnsel, dat doorgaans het gevolg is van diverse factoren. Deze oorzaken kunnen worden onderverdeeld in twee brede categorieën: onvermijdelijke inherente verzwakking en externe factoren die kunnen worden vertraagd of vermeden. Hieronder volgen de belangrijkste oorzaken van laservermogensverzwakking, gerangschikt van primair naar secundair:

Veroudering en beschadiging (inherente demping) van laserkerncomponenten

Dit is de hoofdoorzaak van vermogensverlies, met name bij lasers met een hoog vermogen.

1. Verzwakking van de pompbron (aan de hand van een halfgeleiderlaser-LD als voorbeeld)

Werkingsprincipe:LD is de ‘motor’ van de meeste solid-state lasers en fiberlasers.

Verzwakkingsmechanisme:

Defectgroei: De roosterdefecten in de LD-chip zullen onder langdurige elektrische en thermische belasting blijven groeien en zich vermenigvuldigen, wat resulteert in een toename van niet-radiatieve recombinatie en een afname van de elektro-optische conversie-efficiëntie.

Optische catastrofale schade aan het holteoppervlak:Bij een extreem hoge vermogensdichtheid zullen minuscule verontreinigingen of defecten aan het oppervlak van de uitgangsholte laserlicht absorberen, wat lokale verhitting en smelten van het holteoppervlak veroorzaakt. Dit is een onomkeerbaar lawineproces.

Degradatie van de elektrode-metallisatie:Bij hoge temperaturen zal het contact tussen de elektrode en het halfgeleidermateriaal intermetallische diffusie en oxidatie ondergaan, wat resulteert in een verhoogde contactweerstand en ernstigere oververhitting.

Prestatie:De drempelstroom van de pompbron zal geleidelijk toenemen en het hellingsrendement zal afnemen, wat resulteert in een daling van het uitgangsvermogen.

2. Gemiddelde prestatievermindering behalen

Vastestof-/vezellasers (bijv. YAG, YV04-kristallen, Yb/Er-gedoteerde vezels):

Vorming van kleurcentra:Bij langdurige bestraling met pomplicht (vooral ult)

In het kristal of de glasvezel worden "kleurcentra" (absorptiecentra) gegenereerd. Deze kleurkernen absorberen het pomplicht en het gegenereerde laserlicht en zetten dit om in warmte-energie in plaats van te worden gebruikt voor gestimuleerde straling.

Thermisch lenseffect en schade door thermische spanning:Hoewel het thermische lenseffect zelf omkeerbaar is, kunnen langdurige, ernstige temperatuurschommelingen en thermische spanningen microbarsten in het kristal, permanente veranderingen in de brekingsindex of verdonkering van de vezel veroorzaken.

Gaslaser (zoals een CO2-laser):Het gasmengsel zal geleidelijk ontbinden, geadsorbeerd worden door de elektrode of reageren met het binnenwandmateriaal van de buis, wat resulteert in een onevenwicht in de gasverhouding en een afname van de versterking.

3. Schade aan optische elementen

Resonantieholtelens/venster:De volledige spiegel, de uitgangsspiegel en het venster in de laser zijn de plekken waar het vermogen het meest geconcentreerd is.

Filmschade:Een laser met hoge energie zal de lens op de antireflectiefilm of de antireflectiefilm beschadigen, waardoor deze kan barsten of loslaten.

Vervuiling:Kleine organische deeltjes in de omgeving (zoals oliedampen) hechten zich aan het lensoppervlak, verkoolen onder invloed van de laser en vormen een permanent absorptiepunt, wat verdere schade veroorzaakt.

Materiële absorptie:Zelfs hoogwaardige optische materialen hebben een kleine intrinsieke absorptie van laserlicht bij een specifieke golflengte. Langdurige effecten kunnen leiden tot langzame veranderingen in de materiaaleigenschappen.

Externe gebruiksomstandigheden en onjuiste bediening

Deze factoren kunnen het verouderingsproces van de hierboven beschreven kerncomponenten aanzienlijk versnellen.

1. Storing in thermisch beheer

De efficiëntie van het koelsysteem neemt af:De waterkwaliteit van het koelwater verslechtert, waardoor kalkaanslag en verstopping in de waterleidingen ontstaan; een defecte waterkoeler zorgt ervoor dat de watertemperatuur instabiel of te hoog wordt; stofophoping op de ventilator leidt tot een slechte warmteafvoer.

Gevolgen:De verhoging van de bedrijfstemperatuur van de laser zal de veroudering van alle halfgeleiders en optische componenten aanzienlijk versnellen. Voor laserdiode (LD) kan de levensduur halveren voor elke 10 °C temperatuurstijging van de junctie (volgens het Arrhenius-model).

2. Werkomgeving en vervuiling

Stof en verontreinigende stoffen:Stof, rook, olie, enz. in de lucht komen in de laser terecht, waardoor het optische oppervlak en het circuit vervuild raken en plaatselijke warmteabsorptie, kortsluiting of vlambogen kunnen ontstaan.

Trillingen en schokken:Een instabiele fundering of externe trillingen kunnen ertoe leiden dat de optische componenten niet optimaal uitgelijnd zijn, de outputefficiëntie afneemt en in ernstige gevallen de mechanische structuur losraken.

Vochtigheid:Een te hoge luchtvochtigheid veroorzaakt condensatie op het lensoppervlak, waardoor de lensfilm onder laserbestraling gemakkelijk kan barsten. Tegelijkertijd kan vochtigheid ook corrosie van elektronische componenten veroorzaken.

3. Onjuiste werking

Frequente harde omschakeling:Het frequent en abrupt in- en uitschakelen van de laser op vol vermogen zal een enorme elektrische en thermische belasting voor de pompbron en het voedingssysteem veroorzaken, waardoor de levensduur ervan wordt verkort.

Langdurige werking onder de grenswaarden:Als de laser continu op meer dan 90% van het nominale maximale vermogen of zelfs overbelast blijft werken, zullen de kerncomponenten zwaar belast worden en zal de veroudering versnellen.

Niet-overeenkomende ladingen:Bij sommige soorten lasers kan een mismatch tussen de belasting en de reflectiviteit ertoe leiden dat een deel van de energie terug in de laserholte wordt gereflecteerd, wat instabiliteit of zelfs schade kan veroorzaken.

Verslechtering van stroom- en besturingssystemen

De prestaties van de aandrijfvoeding zijn verslechterd:De stabiliteit van de uitgangsstroom/spanning van de voeding verslechtert en de rimpel neemt toe, waardoor de pompbron niet langer stabiel en zuiver kan worden aangestuurd. Dit heeft gevolgen voor de prestaties en levensduur van de pomp.

Veroudering van het regelcircuit:De parameters van condensatoren, weerstanden en andere componenten veranderen met de tijd en de temperatuur, wat resulteert in een afname van de nauwkeurigheid van het besturingssysteem.

Samenvatting en preventieve maatregelen

Het vermogensverlies van een laser is een proces dat niet volledig te voorkomen is, maar wel effectief te beheersen en te vertragen.

Om de vermogensafname zoveel mogelijk te vertragen en de stabiele werking van de laser te behouden, wordt het volgende aanbevolen:

1. Zorg voor een uitstekende werkomgeving:Schoonhouden, constante temperatuur, lage luchtvochtigheid, geen trillingen.

2. Zorg voor efficiënt thermisch beheer:Onderhoud het koelsysteem regelmatig om de waterkwaliteit en -doorstroming te garanderen.

3. Volg de standaard werkprocedure:Vermijd frequent schakelen en langdurig gebruik onder extreme omstandigheden.

4. Voer regelmatig preventief onderhoud uit:Controleer regelmatig de optische componenten, reinig het optische pad en vervang verbruiksartikelen (zoals gas en filterelementen) volgens de voorschriften van de fabrikant.

5. Gebruik een stabiele stroomvoorziening:Zorg ervoor dat de voedingsspanning stabiel is en gebruik indien nodig een spanningsstabilisator.

Door deze verzwakkingsmechanismen te begrijpen en de juiste voorzorgsmaatregelen te nemen, kan de levensduur van de laser aanzienlijk worden verlengd en blijft de output gedurende de gehele levenscyclus stabieler.