העיקרון של מדידת אנרגיה באמצעות לייזר ללא מדיד מפחית עלויות ומפשט את האינטגרציה

מאת: חט’ ציוד מדידה לייזרים ב-COHERENT וצוות אמו הנדסה א.א.(1995) בע”מ. בחיישני אנרגית לייזר EnergyMax של Coherent, כל הרכיבים האלקטרוניים של המדיד מוזערו ושולבו בכבל הראש של החיישן. גישה זו מאפשרת שימוש במערכות מותאמות, מפשטת את הכיול ומקטינה את העלות הכוללת.

הקדמה וסקירה

המדידה של אנרגית לייזר מיועדת לכמת את האנרגיה הכוללת הקיימת בפולס לייזר בודד, או ברצף של פולסי לייזר. בדרך כלל הדבר מתבצע באמצעות גלאי פירואלקטרי, המבוסס על גביש פרואלקטרי בעל קיטוב חשמלי קבוע. האור הפוגע מחמם את הגביש, משנה את המומנט הדו-קוטבי שלו וגורם לזרם לזרום. אות חשמלי זה מעובד באמצעות רכיבים אלקטרוניים עם מדיד מכויל בקפידה כדי לקבוע את אנרגית הפולס המוחלטת. בהשתמש בציפויים בולעים מתאימים, הגלאים הפירואלקטריים מתוכננים באופן אופטימלי כדי לגלות את אנרגית הפולסים מרמת הנאנו ג’אולים ועד הרמה של מספר ג’אול, באורכי גל מהתחום האולטרא סגול העמוק ועד לאינפרא אדום, ומפולסים בודדים ועד קצב פולסים של עד מספר קילו הרץ.

גלאי סיליקון משמשים למדידת אנרגיה של פולסי לייזר. אלו הם גלאים קוונטים בהם הפוטונים הפוגעים יוצרים נושאי מטענים (אלקטרונים וחורים) אותם ניתן למדוד כזרם או מתח. דיודות אור הן רגישות מאוד לרמות אור נמוכות, ולכן מאפשרות למדוד אנרגיות פולסים בתחום שמתחת לנאנו ג’אול ועד לרמת המיקרו ג’אול, הן יכולות לפעול בקצבי פולסים גבוהים מאוד. יחד עם זאת, גלאי סיליקון רגישים לאור רק בתחום ספקטרלי של 190 ננומטר ועד 1100 ננומטר.

מדידי אנרגיה מסורתיים

באופן מסורתי, מכשיר למדידת אנרגית לייזר מורכב מראש חיישן פירואלקטרי או דיודת אור המחובר באמצעות כבל לרכיבים האלקטרוניים של המדיד הנמצאים בתיבה עצמאית נפרדת. גישה זו מאפשרת גמישות עצומה.

באופן ספציפי, לקוח יכול לקנות ראש חיישן אחד או יותר, כשכל אחד מהם עובר אופטימיזציה לסוג אחר של מדידת הספק (למשל לייזר Excimer לתחום האולטרא-סגול העמוק, לייזרים Nd:YAG לאנרגיה גבוהה וכדומה). לאחר מכן משלבים אותם עם מכשור מדידה המתקבל בנפרד. כאן שוב, לצרכן יש מבחר רחב של מאפיינים וביצועים (כמו למשל דיוק מוחלט, אפשרויות ממשק והיכולת לבצע סטטיסטיקה על סדרת הפולסים).

יחד עם זאת, יש מגוון הולך וגדל של יישומים בהם גישה מסורתית זו אינה אידיאלית. לדוגמה, לייזרי פולסים עם קצב פולסים של פחות מ-10 קילו-הרץ משמשים כיום במגוון רחב של מערכות תעשיתיות ומערכות רפואיות טיפוליות. דוגמאות אופייניות הן תיקון  צגים שטוחים, ספקטרומטרית מסות בעזרת אבלצית לייזר ותהליכי עיבוד חומרים אחרים ברמת דיוק גבוהה, וכן מגוון פרוצדורות רפואיות, כולל כירורגית עין בשיטת LASIK, טיפולי עיניים, יישומים אסתטיים ושימושים דנטליים.

בוני ציוד עבור היישומים הללו לעתים קרובות צריכים לשבץ חיישנים לאנרגית חיישן במספר נקודות במכשיר, כדי לעקוב הן אחר הספק הלייזר והן אחר האנרגיה המתקבלת במקומות שונים במערכת האופטית. הדבר מבטיח תהליך עקבי ביישומים תעשייתיים, ומבטיח בטיחות בפרוצדורות רפואיות.

הגודל הפיזי של המדידים המסורתיים מגביל את היכולת של בונה המערכת לשלב אותם במכשור. בנוסף, מדידים עצמאיים כוללים פונקציות כמו למשל צגים ובקרות משתמש, המגדילים את העלות, אבל אינם דרושים ביישומים משולבים. גם בשימושים מסורתיים יותר במעבדה, וכן עבור נותני שירות בשטח, המדיד הנפרד לעתים קרובות הוא מיותר. הסיבה לכך היא שניתן להציג את בקרת המכשיר, תצוגת הנתונים ורישום הנתונים באמצעות מחשב אישי המשמש כמדיד וירטואלי.

עיקרון הפעולה ללא מדיד  פיתחה את סדרת EnergyMax של חיישני אנרגית לייזר ללא מדיד, כדי לספק מענה לביקוש למכשור מדידת אנרגיה קומפקטי וחסכוני יותר, ובאותה עת לאפשר מגוון אפשרויות ממשק כדי לספק מענה טוב יותר לצרכים של יצרני ציוד מקורי (OEMs) ומשתמשים במעבדה. באופן ספציפי, מגוון חיישני אנרגית הלייזר של Coherent קיים כיום בקונפיגורציה בה כל הרכיבים האלקטרוניים של המדיד ממוזערים ומשולבים בכבל של ראש החיישן עצמו, כפי שניתן לראות באיור 1. לאחר מכן משתמשים במחשב מארח לבקרת המכשיר, רכישת נתונים והצגת מידע.

 

מלבד העובדה שחיישני EnergyMax החדשים ללא מדיד הם פחות יקרים וקטנים יותר מאשר מכשירים מסורתיים, הם מציעים גם ביצועים משופרים. לדוגמה, הם יכולים כיום לרשום נתונים לגבי כל פולס עד קצב פולסים של 10 קילו הרץ. בעבר, רוב המדידים של Coherent דגמו את הנתונים בקצב של עד 10 קילו הרץ ויכלו לרשום נתונים לכל פולס עד קצב של 1 קילו הרץ. בנוסף, אין לכך כל השפעה על הדיוק והטווח הדינמי. כל זאת הושג על ידי תכנון קפדני ושימוש ברכיבים מיקרו-אלקטרוניים הטובים מסוגם, כמו למשל ממירים אנלוגיים לדיגיטליים במהירות גבוהה, ומערכי שערים ניתנים לתכנות בשטח (FPGAs).

החיישנים החדשים ללא מדיד

EnergyMax מאפשרים גם רציומטריה עבור הפולסים. כדי להשיג זאת, שניים מהמודולים האלקטרוניים בתוך הכבל מוערמים באופן פיזי, כך שהפינים בחלק העליון של יחידה אחת נוגעים בפינים של היחידה התחתונה, כמוצג באיור 2. הדבר פותח ערוץ תקשורת בין החיישנים, ומאפשר להוסיף תג ייחודי לנתונים של כל פולס לייזר משתי היחידות. לאחר מכן אפשר להשתמש בתגים הללו כדי לזהות פולסים מסונכרנים, ולבצע בהם פעולות מתמטיות, כמו למשל חלוקת ערכי האנרגיה שלהם כדי לקבל את היחס. שוב, רמת תפקוד וביצועים זו הייתה קיימת בעבר רק במוצרים יקרים יותר. בנוסף, חיישני EnergyMax תומכים ברציומטריה בקצבי פולסים של עד 1 קילו הרץ, שהוא קצב מהיר יותר מכפי שהיה זמין בעבר, בין כלל המכשירים שהיו קיימים בשוק.

הערמה של מספר חיישני

EnergyMax  (עד ארבעה) מאפשרת גם לכל היחידות המחוברות לחלוק בדרבונים (טריגרים) פנימיים וחיצוניים. במקרה של טריגר פנימי, תוכנת המערכת משמשת כדי לקבוע ערך סף גבוה יותר מרעש המערכת לצורך הפעלה, אבל נמוך יותר מרמת האנרגיה הצפויה להימדד. רמת ההפעלה מוגדרת כאחוז מטווח המקסימום של מערכת הגילוי.

קלט טריגר חיצוני (מסוג SMB) קיים בכל חיישן EnergyMax. דרושה כניסת טריגר בודדת בלבד כאשר היחידות מוערמות. כבל הפעלה חיצוני SMB ל-BNC מצורף לכל יחידה.

חיישנים ללא מדיד מורידים גם את עלויות הכיול, עלויות שיכולות להיות משמעותיות במיוחד במערכות רפואיות, בהן נדרש כיול תקופתי על פי חוק. הסיבה לכך היא שראשי החיישן והרכיבים האלקטרוניים של המדיד מכוילים באופן מסורתי בנפרד, אבל השילוב של חיישן/מדיד מצריך כיול אחד בלבד, וזה מקטין את העלויות בחצי.

יכולות התמשקות

כל החיישנים ללא מדיד EnergyMax קיימים עם חיבור במהירות גבוהה USB 2.0 או RS-232. הממשק הטורי (RS-232) נמצא כפופולרי ביותר בקרב אינטגרטורים של יצרני ציוד מקורי. בדרך כלל, מערכות תעשייתיות ומערכות לייזר רפואיות משתמשות בבקר לוגי מתוכנת (PLC), ולא במחשב אישי עם תוכנת Windows. התקשורת בין ה-PLC והציוד ההיקפי מתבצעת בדרך כלל על ידי שליחה וקבלה של פקודות ASCII, תואמות תקן SCPI, ופונקציה זו נתמכת על ידי מוצרי RS של EnergyMax. עבור חיישני EnergyMaxRS, אפשר לספק חשמל בזרם ישר באמצעות מתאם נפרד או באמצעות פין 1 של הכבל RS-232. מאחר וחיבורי RS-232 אינם מאפשרים קנפוג עצמי, חיבור ההתקן מתבצע על ידי סט פשוט של תפריטים, כמוצג באיור 3.

קונפיגורצית EnergyMaxUSB מיועדת יותר למשתמשי מעבדה ועובדי שירות בשטח, אשר לעתים קרובות כבר משתמשים במחשב אישי למשימות אחרות. EnergyMaxUSB הם התקני Plug-andPlay, כלומר הם מתקינים ומקנפגים בעצמם עם החיבור למחשב המארח, והחשמל להתקן מסופק באמצעות חיבור ה-USB בעצמו.

Coherent מספקת תוכנה מבוססת Windows לשימוש עם חיישני EnergyMaxUSB, המאפשרת למשתמש לקבוע את פרמטרי החיישן, לקחת קריאות של אנרגית הלייזר, לרשום נתונים ולחשב סטטיסטיקה של המדידות, כמו למשל מגמות (איור 4), היסטוגרמות (איור 5), וכוונון (איור 6). לחילופין, יש התקני חומרה של LabView ופקודות ממשק מארח ASCII כדי לאפשר למי שרוצה לכתוב תוכנה משלו לרכוש ולטפל באופן ישיר בנתונים ובסטטיסטיקה, לתשאל את החיישנים, ולטפל בכל תחומי הבקרה של פעולת המדיד.

סיכום:

לסיכום, מכשור מיניאטורי למדידת אנרגית לייזר מספק כיום פונקציות טובות יותר וביצועים משופרים הן עבור יצרני ציוד מקורי והן עבור משתמשי מעבדה, ובאותה עת הם מורידים את מחיר הרכישה ועלויות התפעול. העובדה שמדידות אנרגית לייזר בדיוק גבוהה הופכות לנגישות יותר תאפשר שיפור נוסף במגוון רחב של תהליכים המשתמשים בלייזרי פולסים.