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激光产业的下一个突破将来自物理学家?

导读: 激光产业日新月异,充满挑战和机遇,而经过多学科训练的物理学家将成为从事这一领域的理想人选。

激光产业日新月异,充满挑战和机遇,而经过多学科训练的物理学家将成为从事这一领域的理想人选。——Luciano Hand

作者Luciano Hand是Altos Photonics公司的董事长,该公司位于美国蒙大拿州的Bozeman,以生产激光器和光学器件为主。

自从发明了激光以来,我们已经发展了几十年,但光电子产业的许多方面仍然处于萌芽状态。这不禁让人想起20世纪60年代的电子工业,当时似乎已经到处可见激光器,但是往往能发现这些包装精致的产品内部许多东西还用胶带缠在一起(其实不夸张),而那些在自家车库运营的小公司开发出来的产品居然能和国际大公司的产品相媲美。

在这种大环境下,物理训练固有的多学科本质意味着拥有物理学背景的人更有机会成功,因为每一天你都可能需要去处理化学、生物、计算机、机械工程、材料科学或者流体力学等方面的问题,偶尔也会有物理和光学方面的问题。

造成问题的原因各不相同

化学问题存在于大多数激光系统中,例如光化学会导致材料变性,离子迁移会造成色心和其他局部问题。但最让人头疼的是光污染和光损伤,造成这些问题的原因却各不相同。

在一个特别令人懊恼的案例中,我们追踪了光污染的来源,发现是下水道里的臭气从一个废弃的地漏进入了实验室,而挥发性的有机气体经常会在光学器件表面凝聚。这些有机气体来源广泛,包括实验人员手上的油渍和护手霜,透明胶带残留物,甚至是导线绝缘层散发的气体等。

我们费尽力气才认识到臭氧会破坏光学薄膜,而激光器产生的紫外光会与空气相互作用产生臭氧,这说明清除密闭激光器中的空气是非常必要的,特别是高功率激光器。然而用于清除空气的氮气也会与某些涂层发生反应,另外,有些涂层在湿度为零的情况下性能也会发生改变,因此我们必须谨慎选择排除空气的方法。

污染可能来自实验人员手上的油渍等

就激光器本身而言,表面涂层如阳极材料或颜料等可能会与不同波长的光发生相互作用,从而导致褪色乃至产生废气,或者在光学器件表面会有薄膜沉积。最后,对于水冷激光器而言,必须要考虑腐蚀、元件间的双金属或电镀相互作用,甚至空气中的二氧化碳形成碳酸腐蚀水泵中的套管。以上仅列举了部分例子。

解决问题遇到多重阻碍

说到冷却,我们必须得意识到哪里有水,哪里就会有生命。不幸的是,激光器冷却系统中的生命是藻类和生物膜,这些会给器件带来各种损害。

在固态激光器中,这类黏糊的东西会覆盖在流管或有源元件(例如钇铝石榴石/氟化钇锂棒)上,进而阻止了抽运光,导致输出能量降低。熟练掌握化学知识能够帮助我们解决这类问题,但是请记住如果用“头痛医头 脚痛医脚”的方法处理问题可能会带来其他负面效应,例如使用漂白剂可能会损害密封和管道系统。 因此我们必须全盘考虑,详细了解系统中所有材料的性质,以及它们可能发生的化学反应。

激光器的水冷系统中可能存在生物污染

激光科学中电气工程无处不在,有时它会带来意想不到的挑战。每一个激光器设计人员都必须懂些电路设计,用于设计功率和操控电子设备。同时也必须具备电气工程的专业知识,这样可以理解和消除系统中的电磁干扰(EMI),这些电磁干扰可能来自于系统自身的普可尔盒(Pockel cells)(需要上千伏高压,且开关时间在几纳秒范围)等装置产生的高压,也可能来自于用户的其他设备。

另一个需要电气处理技巧的例子是如何给激光器供20kW的电源,从而实现在欧洲制造激光器,然后集成到美国的一个大型系统中,并最终安装在以色列。这个任务需要考虑到不同国家的电气标准,另外还需要注意高压灯管引线(4千伏)造成的冠状放电,尽量消除放电,避免造成空气离化破坏引线的橡胶绝缘层。

实际应用中的多学科知识

随着激光器参与到主流的应用中,用户需要用电脑控制和诊断,这就需要软件和计算机技术方面的知识。无论是光谱仪中的探测器、微加工系统中的运动控制还是其它地方,激光器需要通过电脑操作和这些仪器进行交互对接。新的功能会产生新的应用,反过来,这对软件和计算机技术提出了更高的挑战。

激光科学中所涉及到的机械工程、材料科学以及流体力学都或多或少与热处理有关,例如激光器的散热和不同环境温度下维持性能稳定。

如果要回答诸如“为什么钇铝石榴石棒(YAG)破裂?”、“为什么这个镜架比另一个稳定,如何使得镜架更加稳定?”或者“我们如何将热量从产生的地方转移到可以安全耗散的地方?”之类的问题,我们需要对各种材料的热传导和热膨胀系数有清醒的认识。否则我们不可能搭建出一套在合理温度范围内稳定的激光系统(而这个合理的温度区间通常由一群“不讲理”的用户指定)。

上面说明了机械工程和材料科学的重要性,但是流体力学呢?在设计冷却系统时,我们必须考虑到管道直径和流阻之间的关系,知道为什么湍流是将热量从物体表面转移到冷却液的有效手段。因此搭建一套稳定的激光器是一项机械工程、材料科学和流体力学相互配合的精巧工程。

多学科配合的精巧工程

问题来于物理也止于物理

光学和物理问题是我们平常遇到最多的,但不一定总是以我们期盼的形式出现。光线追踪和基本光学原理是设计激光器所必然涉及到的,也关系到激光器的出射光束到靶之间的传递过程,通常还伴随着更复杂的几何问题。透镜和反光镜看起来简单,但是一旦涉及到机械臂或者长路径,问题就变得相当复杂。

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责任编辑:TD
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