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不可思议的激光
作者:沈阳沈民环保碳公司
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激光器展厅
半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ...
如果没有光,就不会存在生命。事实上,光以各种不同的方式启迪着人类。激光光束就是光的一种极具魔力的形式。五十年前人们发明了激光,还在考虑这种技术如何应用。近十年来,激光已进入近乎所有材料加工领域,如今激光已成为工业生产中最先进和最重要的工具。中国蕴含着巨大的潜力,成为工业激光名副其实的全球应用市场。中国业界在其产业加工中应用激光技术的迅速程度曾让人叹为观止,现今仍然如此。

《工业激光解决方案》—中国版近期发布的买家指南就对中国激光市场进行了一个年度概述。如今有很多不同的激光技术和系统可供选择,问题通常在于哪种技术能为其提供最佳解决方案。没有一种激光技术能满足所有需求,未来的技术发展也不会改变这一点:选择使用哪种激光是特定的。其实质上是哪种激光最适用于某一既定任务。现今中国激光市场上的固体激光器、半导体激光器和CO2激光器,所有这些激光器适用于各种不同的应用,以不同方式满足主要的购买准则(见表格)。

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固体激光器

固体激光器使用增益介质来产生激光光束,通常是钕或掺镱掺钕钇铝石榴石晶体(YAG=掺钕钇铝石榴石)。现在工业激光器的主要类型是碟片激光器、光纤激光器和圆棒激光器。

连续波激光器可提供高功率的动力,而脉冲激光器则产生极短的高能脉冲,对工件产生的热量降至最小。

YAG激光器发射的光束波长约为1μm,这处于近红外光谱带。因此,玻璃光学元件和光缆可以用于光束传输。光缆可以在耗能较少的情况下进行超远距离光束传输,从而可以在各种不同地点使用YAG激光器。激光光束聚焦于光缆,并在离开光纤时重新排列,从而再次并行。

由于光束传输的灵活性,以及易于集成到其它系统,固体激光器应用于如切割、焊接或电镀等3D制造加工。尽管在未来二氧化碳激光器的需求将增大,但固体激光器也将越来越多地替代CO2激光器,甚至是在如2D切割等传统二氧化碳激光器加工领域。

碟片激光器

碟片激光器的核心是厚度通常不超过0.1mm的小型Yb:YAG薄片。第一台工业碟片激光器于十年前引进。碟片激光器整合了两种光束源的优点:半导体激光器的高效性和碟片激光器的高光束质量。现今碟片激光器代表着高功率激光器的工业标准,如在汽车或钣金加工行业。碟片激光器的设计极为简单:在活动碟片和输出镜之间产生激光功率。德国TRUMPF等供应商提供功率高于16kW以及每个碟片功率高达6kW的激光器。除了高功率应用外,碟片激光器具备超高光束质量和稳定性,这也是超短脉冲激光器的基础。

碟片的模块化设计形成极强的坚固性以及针对回反光的不灵敏性。碟片激光器是所谓的“低放大率谐振器”。谐振腔内只有极少部分的激光功率会被输出镜所去耦合。因此返回到谐振腔内的背射激光功率就不会对整个系统产生影响,这是相对于其它高功率激光器的一个优势。

当前的产品使用长寿命泵浦模块,高转换效率和近乎零耗材(只需要水循环),其运营成本低。碟片激光器是一种光电机械系统,因此易于保养维护。和圆棒激光器类似,激光光束能够简单地实现多路输出,而不需要损耗功率或借助外部分束器。

光纤激光器

在光纤激光器中,活跃的增益介质是掺杂了如铒、镱、钕、铥等稀有金属的光纤,从而可以产生不同的波长。将整个谐振器整合在一个光纤中的理念很简单,但是这一“多合一设计”的实现却极具挑战。所需的所有零部件,如端面镜或输出镜、隔离器等都被焊接在一起。一台光纤激光器是一个复杂系统,具有数百个这样的连接,即接头。由于这一整体式设计,其可服务性变得有限,实际应用中的一个失误就只能通过更换激光组件或整个光纤激光器来解决。

和其他固体激光器相反,光纤激光器具有一个“高放大谐振腔”,意味着谐振腔中大部分功率都将通过输出镜。因此,回散光功率将对谐振腔系统产生高应力,而由于光纤直径小,这会将光纤内的功率密度增加到一个危险程度。

现在光纤激光器已经极为常见,也成为如激光打标等低功率脉冲应用以及切割或焊接等高功率应用的一个标准技术。和碟片激光器或半导体激光器一样,光纤激光器的运营成本低。

圆棒激光器、灯管或二极管泵浦

圆棒激光器过去是固体激光器的主要组成部分,甚至是灯或二极管泵浦的高功率连续激光器。现今这一技术通常用于低功率脉冲操作,如焊接或打标,以及作为超短脉冲激光器的基础。其增益介质通常是Nd:YAG晶体,谐振腔由两块反射镜组成。这一机械设计使其易于维修。

圆棒激光器的主要缺点在于对圆棒的高温影响将降低光束的质量。其功率转换效率要比碟片、光纤或半导体激光器技术低得多。但是圆棒激光器仍是点焊或高质量打标等脉冲应用的上好选择。

半导体或二极管激光器

半导体激光器也是固态形式,但是通常被认为是和固体激光器不同的类。如果仅按照已出售激光器数量来排列所有光源,半导体激光器将位居榜首,人们可以在数百万日用消费品中见到它们的身影,从CD/DVD驱动,激光打印机以及激光指示棒到超市条码扫描器和挡光板。半导体激光器广泛应用于信息技术和通信技术,测量技术等。二极管激光器是极其紧凑和稳定的光源,其机械设计也易于维护。半导体既充当活性介质也是谐振腔。半导体激光器没有任何活动部件,因此不会出现方向偏离。其效率要高于其它任何光源。另外一个好处在于电流与电源直接连接,即使在低阈值电流时激光器也发光。

半导体激光器最大的缺点在于其在高激光功率时光束质量低下。现在的工业半导体激光器局限于少数几种加工,诸如电镀、铜焊和越来越多的高功率焊接。因此在未来数年,半导体激光器不太可能使整个材料加工领域发生革命性变化,并取代其它光源。随着半导体激光器的不断发展,未来我们也会将其应用于切割等需要更高光束质量的应用。

CO2激光器

CO2激光器是现有的最高功率连续波激光器。和固体激光器相比,主要不同在于其波长在9.4至10.6μm,由于其在金属和非金属材料中不同的激光吸收率而发挥着重要作用。

CO2激光器的功率范围涵盖从小于10瓦到大于20,000瓦,而且可以在连续波模式或脉冲条件下运转。在具有足够的谐振腔长度下,合适的激光设计能够获得极佳的光束质量。其效能处于圆棒激光器和碟片或光纤激光器之间。目前市场上主要有两种CO2激光器概念,它们都是高频泵浦,但冷却系统和谐振腔形状不同:流动型二氧化碳激光器和扩散冷却型CO2激光器。依据技术的不同,CO2激光器或多或少需要消耗气体,从而使得其运营成本要高于固体激光器。CO2激光器还有一个缺点,其光束只能通过镜面来反射传导。这使得其应用不那么灵活,特别是在切割或焊接等活动应用中。现代扩散冷却型CO2激光器使用基于泵浦技术的晶体管,几乎不需要进行维护。激光器制造商们期望二氧化碳激光器能够立足于中低功率市场,并在激光加工新用户中颇受欢迎。

激光打标和超短脉冲激光器

激光器有各种不同的运转模式,类型包括:“连续波”在数秒或数分钟内进行不间断的激光操作; “脉冲式”的持续时间为毫秒;“短脉冲”的持续时间为纳秒;“超短脉冲”的持续时间为皮秒,飞秒或更短。

短脉冲激光打标,脉冲持续时间以纳秒计算,其功率较低,能够通过固体激光器以及二氧化碳激光器来实现。中国是激光打标的最大市场,每年需要上万台激光器,以及大量的供应商和技术。大多数激光打标使用10μm(CO2激光器打标)或1μm(固体激光打标)波长。在市场上我们会发现越来越多的绿光(532 nm)和紫外(343 nm)激光器应用于打标和各种材料。依据激光打标需求的不同,激光器需要高功率和高脉冲来保持脉冲稳定。圆棒激光器的光束质量通常要更好,峰值功率更高。特别是在中国,激光器能在高温下工作是至关重要的。打标应用可以通过使用扫描来实现;准确性也是一个重要标准。值得一提的是,很多集成到工作台上的系统是由一位人工进行操作,激光器的安全性(例如机械遮板)也需要考虑。(超)短脉冲激光器出现的时间相对较晚,主要用于不同材料的激光加工,特别是玻璃、陶瓷或印制电路板。基于碟片、光纤或圆棒固体激光器的不同,现在市场上有很多不同类型的超短脉冲激光器。碟片激光器因其卓越的激光参数(平均功率、光束质量和光束稳定性)以及激光微加工领域的领先技术而胜出。圆棒激光器也具有高平均功率,但是稳定性稍差。光纤激光器被用于使用更低功率来实现皮秒激光器,或者更高功率但是更长脉冲持续时间,这在某些应用上存在局限性。为了确定哪种产品满足所查询激光器应用的个性化需求,通常需要进行一些讨论和试验。

激光组件

激光源通常不能单独使用。激光束一般必须通过反射镜或激光光缆进行传输,也必须聚焦到工件上。只有一些供应商提供“一站式解决方案”,同时供应激光源和激光组件。最糟糕的情况是,最终解决方案是通过使用不同供应商的产品来实现的,从而会出现失败的状况。最重要的是:反射镜、分束器、激光光缆、加工光学器件、扫描器。

激光器安全

最后,在所有激光应用中都必须考虑激光的安全性。通常工业激光器被分为4个等级,4级为最高。

CO2激光器的激光辐射波长为10μm,固体激光器为1μm,肉眼不可见,对人有伤害。特别是固体激光器光束波长1μm,风险极大。这一波长通过角膜进入眼睛。和可见光一样,激光聚焦于视网膜。通过眼球的晶状体聚焦,激光光束将对视网膜造成超过其承受能力50000倍的损害。因此,在使用固态激光器的时候需要特殊眼部安全防护措施—— 专门用于切割、焊接或打标。相反,CO2激光器的激光束波长为10μm,可以被角膜吸收。人们直接被激光束轰击虽然很危险,但发生的几率很低。基于这些考虑,激光器特别是在应用固体激光器时,必须配备全面的激光保护装备。

在中国,越来越多的激光系统制造商遵循GB 18490-2001这一安全标准,代表着国际标准ISO 11553:1996。在2014年3月的上海激光展上,中国光学学会激光加工专委会主任王又良教授启动工业激光安全生产的倡议。中国领先的制造商们都纷纷响应这一倡议,签署了提高其激光系统安全性的协议。这对于激光器市场和激光技术使用者来说都是非常重要的一步。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (10/9/2014)
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