“高功率”的含义因行业而异。事实上，例如，工业应用所要求的高功率与生物医学领域中被认为是高功率的功率有很大不同。
高功率的可识别属性也因应用而异。在清洁能源研究优先考虑极端能量水平下的精度和控制的情况下，军事和国防部门将重点放在光束质量和环境弹性上。
角立方体回射器在大范围的入射角上进行回射，这在难以实现精确对准或存在振动的应用中很有用。由Altechna提供。
就工业而言，它要求在功率、成本和安全性之间取得平衡。该行业的特点是在切割、焊接和材料加工等主要工艺中提高效率和精度，从而实现高功率。由于该领域的需求和应用，工业功率水平无法与能源研究和国防中使用的能源相匹配。
尽管如此，在寻求实现、部署和优化高功率电源的性能方面仍存在着共同的挑战。尽管“高功率”一词的含义各不相同，但提高耐用性、精度和控制能力的努力正在推动技术领域的进步。
工业需求
供应和市场需求是工业激光发展的共同驱动因素。半导体制造和汽车等行业一直在追求更高的精度和效率，确保了开发者和制造商需要提供越来越先进的激光器。
这种需求也决定了激光光学器件的性能规格。这些组件的制造商努力生产能够提供越来越精细的焦点、更高的功率处理(如有必要)和更高的耐用性的光学器件。
高功率激光系统越来越容易受到激光诱导的损伤，例如玻璃表面上的损伤，在这里使用差分干涉对比显微镜捕捉到。由Edmund Optics提供。
在Edmund Optics，这种动态往往会对高功率光源和激光光学的实际部署提出疑问。Edmund激光光学事业部高级总监Stefaan Vanderdiesche表示，每当工业激光制造商准备向新一代高能系统迈进时，熟悉的问题就会再次出现。
其中包括：“你会用这么多权力做什么?”还有，“你会把这么多权力用于什么?”
这些询问与其说是对工业激光技术发展的阻碍，不如说是开发人员和制造商在新产品开发中最大限度提高效率的一种方式。一旦更高功率的激光系统上市销售，行业客户就可以快速识别出由新功率水平支持的新应用。
尽管一些标准工艺，例如，在1至12千瓦范围内，由于物理定律或生产需求，已经达到了其限制，但其他因素是持续推动新的高功率激光需求和应用的原因。
密歇根州普利茅斯TRUMPF股份有限公司激光技术中心北美激光高级产品经理Tracey Ryba表示：“我们看到传统等离子切割客户的需求增加，因为激光的热影响区小得多，零件更清洁，二次应用更具灵活性。”。
在大多数情况下，具有高光束质量的20kW和30kW激光器远远优于40kW和50kW激光器的切割性能和相对较低的光束质量。但是，航空航天焊接、电动汽车生产的繁荣，以及重型机械和农业设备的大幅增加，正在增加对10至20千瓦激光器的需求。
Ryba说：“电动汽车和储能器使用厚铜母线，需要高功率和优异的光束质量，而薄箔堆则得益于高功率可见波长激光，可以有效焊接。”
先进的制造应用程序也将功率推向了更高的水平。Ryba说，TRUMPF的极紫外(EUV)计划需要大于120千瓦的二氧化碳激光器进行光刻。现代计算机芯片通常具有纳米尺寸。制造商使用紫外线准分子激光器生产芯片。试图制造更小的结构尺寸(<10nm)需要转换到更短的EUV波长。
然而，在芯片制造的关键13.5-nm波长下产生等离子体辐射需要几兆瓦的峰值脉冲功率。一个平均功率只有几瓦的二氧化碳激光脉冲，通过放大器增强，可以解锁这一水平。
电动汽车和储能机构使用厚铜母线，需要高功率和优异的光束质量，而薄箔堆则得益于高功率可见波长激光器，实现有效焊接。由TRUMPF提供。
激光器性能的核心考虑因素可能因行业而异。定向能和国防部门对高功率和激光束质量提出了苛刻的要求。在工业部门，要求提高切割和焊接等工艺的效率和精度。由Altechna提供。
激光器性能的核心考虑因素可能因行业而异。定向能和国防部门对高功率和激光束质量提出了苛刻的要求。在工业部门，要求提高切割和焊接等工艺的效率和精度。由Altechna提供。
TRUMPF、光刻专家ASML和光学系统制造商蔡司最近合作开发了峰值功率>120kW的CO2激光系统。在这种方法中，使用五个放大器将功率增加10000×，得到数十千瓦的平均脉冲功率和几兆瓦的峰值脉冲功率。该系统每小时可处理>100个基板。
跨部门进步
定向能和国防应用是对高功率和激光束质量要求最高的应用之一。在一种典型的技术发展方式中，制造商从严格的技术发展中收集到的见解通常会为商业产品的设计提供信息。
“国防和工业对光学元件的要求有很大的重叠，”Edmund的Vanderdiesche说。“这种技术的涓涓细流在高功率演示激光装置首次出现在国防应用中，随后将其纳入工业产品中，并延伸到光学本身。”
一个现实世界的例子是由欧盟资助在欧洲大陆建立的三个大型激光设施。这些设施中的大型激光源是科学研发界成员获得PB级激光功率的关键资源。该基础设施旨在推动粒子加速、药物发现和基础科学研究方面已经取得的进展。
除了与科学研发的明确联系外，超高功率、高能系统使用的光学器件还展示了大量的行业知识。
LASEROTIK GmbH涂层设计团队负责人Thomas Willemsen表示：“激光器的高输出功率对光学组件提出了巨大的要求，例如将激光束引导到不同的靶室进行相应实验所需的光束传输镜。”Willemsen说：“需要440×290平方毫米的反射镜来降低光学器件本身的流畅度。”。
LASEROTIK涂层工程师和来自欧盟资助的三个设施之一的ELI-ERIC的激光科学家正在合作开发具有改进的激光诱导损伤阈值(LIDT)和其他功能的光束传输镜，以防止对大型光学器件的损坏。合作者在LASEROTIK GmbH建造了一个新颖的大尺寸溅射镀膜室。Willemsen说：“一些设计策略首先在小型光学器件上制造，并在ELI-ERIC的专用LIDT测量装置上进行了测试。”。为了进行合作，然后在大尺寸基板上制造性能最好的涂层，并在ELI-ERIC的真空管中再次进行测试。
尽管这些合作的目标仍然是一个瓶颈，但旨在管理巨大能量输出而不损害单个光学器件的跨部门研究项目的频率却很高。应对这一挑战的努力包括对先进材料和涂层的研究、提高表面光洁度质量的制造技术以及先进的冷却技术。
今天，具有改进的LIDT的激光反射镜的开发是一个广泛而活跃的领域。世界各地的研究小组正在开发新的设计策略并评估沉积技术的工艺参数，以进一步改进介电层堆叠。
这本身就带来了挑战，因为电介质层堆叠引入了机械张力。根据所选择的涂层技术，涂层应力可以是拉伸应力或压缩应力。大尺寸干涉仪提供了一种可靠的工具来测量表面平整度和对制造光学器件波前的影响。
Willemsen说：“如果涂层应力过高，可以采用几种策略来均衡涂层应力。”。“例如，可以使用预弯曲的基底，或者可以在背面沉积计算良好的应力补偿层。”
Willemsen说，通常情况下，在633 nm，孔径>300 mm的情况下，表面平整度必须小于λ/10，才能实现高能应用的最佳性能。
供应洞察
高能源路线图的其他考虑因素包括新兴应用中激光系统的存在以及新兴领域的供应需求。在供应方面，光学元件开发商Altechna的首席执行官Antanas Laurutis认为，激光比过去更好。Laurutiss之所以做出这一表征，是因为激光系统现在被用于通常和历史上都不需要其功能的应用。
Laurutis说，随着激光制造商大规模制造高能系统的能力，他们现在支持的商业应用的数量和受欢迎程度都在增长。他说：“激光器越来越小，更容易集成到其他系统中，越来越多的激光器制造商和标准化的制造工艺带来了更好的成本结构。”。
用于沉积直径达550毫米的激光光学器件的大型离子束溅射机。LASEROTIK涂层工程师和ELI-ERIC设施的科学家正在合作开发具有改进的激光诱导损伤阈值(LIDT)的光束传输镜，以防止对大型光学器件的损伤。由LASEROTIK GmbH提供。
用于沉积直径达550毫米的激光光学器件的大型离子束溅射机。LASEROTIK涂层工程师和ELI-ERIC设施的科学家正在合作开发具有改进的激光诱导损伤阈值(LIDT)的光束传输镜，以防止对大型光学器件的损伤。由LASEROTIK GmbH提供。
得益于简化集成的增长最快的市场之一是增材制造，它提供了精确的速度和很少的浪费。
另一个正在上升的应用领域尚未达到商业成熟度。
Laurutis说：“高能激光系统和光学实现了量子技术，用于冷却原子和离子、捕获和产生纠缠。市场仍在新兴，在成本、可扩展性和规模方面有许多任务需要解决。”
LIDT塑造光学性能
大型光学器件并非仅与高能应用相关。尽管如此，对于许多实验和前沿研究事业来说，向更大的光学器件的转变自然表明，传统的(较小的)光学组件无法适应非常高的激光功率的增加使用。
然而，在大多数工业应用中，在当前的形状因子内仍然存在利用现有光学元件技术提高功率和能量的空间。工业应用往往优先考虑吞吐量，因此强调可靠的、通常更高的重复率、高能量/功率性能，以提供可重复的结果或规格。并且这些应用需要在相对较长的时间段内进行操作。
TRUMPF的Ryba表示：“在工业、研究和国防行业，高功率光学的两个最大挑战是光学涂层和热管理。”。“这两个挑战可能会导致功率损失和焦点转移，但在最坏的情况下，它们可能会导致组件故障。”
通常，在任何激光系统中都有能量/功率密度高于其他激光系统的地方。尽管这取决于系统的几何形状，但一些光学器件可以很容易地改变。其他的是接触的，或者组装在一起。
“对于更高功率的应用，通常尽可能避免使用透射元件。反射更高的功率和能量比通过材料传输更容易，”Vanderdiesche说。“这意味着镜子是最重要的，也是我们销售数量最多的部件。”
虽然相对较少的透射聚焦元件和滤光片在制造上仍然极具挑战性，但高功率系统中的反射镜可以是平的、凹的或离轴的抛物面。由于一个部件的故障容易导致多个部件的损坏，LIDT是一个需要量化的关键参数。
