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哪種激光器能為工業提供最佳解決方案?
2015-7-29
來源:未知
點擊數: 5231          作者:未知
  • 如今有很多不同的激光技術和系統可供選擇,問題通常在于哪種技術能為其提供最佳解決方案。沒有一種激光技術能滿足所有需求,未來的技術發展也不會改變這一點:選擇使用哪種激光是特定的。其實質上是哪種激光最適用于某一既定任務。現今中國激光市場上的固體激光器、半導體激光器和CO2激光器,所有這些激光器適用于各種不同的應用,以不同方式滿足主要的購買準則。
      固體激光器
      固體激光器使用增益介質來產生激光光束,通常是釹或摻鐿摻釹釔鋁石榴石晶體(YAG=摻釹釔鋁石榴石)。現在工業激光器的主要類型是碟片激光器、光纖激光器和圓棒激光器。
      連續波激光器可提供高功率的動力,而脈沖激光器則產生極短的高能脈沖,對工件產生的熱量降至最小。
      YAG激光器發射的光束波長約為1μm,這處于近紅外光譜帶。因此,玻璃光學元件和光纜可以用于光束傳輸。光纜可以在耗能較少的情況下進行超遠距離光束傳輸,從而可以在各種不同地點使用YAG激光器。激光光束聚焦于光纜,并在離開光纖時重新排列,從而再次并行。
      由于光束傳輸的靈活性,以及易于集成到其它系統,固體激光器應用于如切割、焊接或電鍍等3D制造加工。盡管在未來二氧化碳激光器的需求將增大,但固體激光器也將越來越多地替代CO2激光器,甚至是在如2D切割等傳統二氧化碳激光器加工領域。
      碟片激光器
      碟片激光器的核心是厚度通常不超過0.1mm的小型Yb:YAG薄片。第一臺工業碟片激光器于十年前引進。碟片激光器整合了兩種光束源的優點:半導體激光器的高效性和碟片激光器的高光束質量。現今碟片激光器代表著高功率激光器的工業標準,如在汽車或鈑金加工行業。碟片激光器的設計極為簡單:在活動碟片和輸出鏡之間產生激光功率。德國TRUMPF等供應商提供功率高于16kW以及每個碟片功率高達6kW的激光器。除了高功率應用外,碟片激光器具備超高光束質量和穩定性,這也是超短脈沖激光器的基礎。
      碟片的模塊化設計形成極強的堅固性以及針對回反光的不靈敏性。碟片激光器是所謂的“低放大率諧振器”。諧振腔內只有極少部分的激光功率會被輸出鏡所去耦合。因此返回到諧振腔內的背射激光功率就不會對整個系統產生影響,這是相對于其它高功率激光器的一個優勢。
      當前的產品使用長壽命泵浦模塊,高轉換效率和近乎零耗材(只需要水循環),其運營成本低。碟片激光器是一種光電機械系統,因此易于保養維護。和圓棒激光器類似,激光光束能夠簡單地實現多路輸出,而不需要損耗功率或借助外部分束器。
      光纖激光器
      在光纖激光器中,活躍的增益介質是摻雜了如鉺、鐿、釹、銩等稀有金屬的光纖,從而可以產生不同的波長。將整個諧振器整合在一個光纖中的理念很簡單,但是這一“多合一設計”的實現卻極具挑戰。所需的所有零部件,如端面鏡或輸出鏡、隔離器等都被焊接在一起。一臺光纖激光器是一個復雜系統,具有數百個這樣的連接,即接頭。由于這一整體式設計,其可服務性變得有限,實際應用中的一個失誤就只能通過更換激光組件或整個光纖激光器來解決。
      和其他固體激光器相反,光纖激光器具有一個“高放大諧振腔”,意味著諧振腔中大部分功率都將通過輸出鏡。因此,回散光功率將對諧振腔系統產生高應力,而由于光纖直徑小,這會將光纖內的功率密度增加到一個危險程度。
      現在光纖激光器已經極為常見,也成為如激光打標等低功率脈沖應用以及切割或焊接等高功率應用的一個標準技術。和碟片激光器或半導體激光器一樣,光纖激光器的運營成本低。
      圓棒激光器、燈管或二極管泵浦
      圓棒激光器過去是固體激光器的主要組成部分,甚至是燈或二極管泵浦的高功率連續激光器。現今這一技術通常用于低功率脈沖操作,如焊接或打標,以及作為超短脈沖激光器的基礎。其增益介質通常是Nd:YAG晶體,諧振腔由兩塊反射鏡組成。這一機械設計使其易于維修。
      圓棒激光器的主要缺點在于對圓棒的高溫影響將降低光束的質量。其功率轉換效率要比碟片、光纖或半導體激光器技術低得多。但是圓棒激光器仍是點焊或高質量打標等脈沖應用的上好選擇。
      半導體或二極管激光器
      半導體激光器也是固態形式,但是通常被認為是和固體激光器不同的類。如果僅按照已出售激光器數量來排列所有光源,半導體激光器將位居榜首,人們可以在數百萬日用消費品中見到它們的身影,從CD/DVD驅動,激光打印機以及激光指示棒到超市條碼掃描器和擋光板。半導體激光器廣泛應用于信息技術和通信技術,測量技術等。二極管激光器是極其緊湊和穩定的光源,其機械設計也易于維護。半導體既充當活性介質也是諧振腔。半導體激光器沒有任何活動部件,因此不會出現方向偏離。其效率要高于其它任何光源。另外一個好處在于電流與電源直接連接,即使在低閾值電流時激光器也發光。
      半導體激光器最大的缺點在于其在高激光功率時光束質量低下。現在的工業半導體激光器局限于少數幾種加工,諸如電鍍、銅焊和越來越多的高功率焊接。因此在未來數年,半導體激光器不太可能使整個材料加工領域發生革命性變化,并取代其它光源。隨著半導體激光器的不斷發展,未來我們也會將其應用于切割等需要更高光束質量的應用。
       CO2激光器
      CO2激光器是現有的最高功率連續波激光器。和固體激光器相比,主要不同在于其波長在9.4至10.6μm,由于其在金屬和非金屬材料中不同的激光吸收率而發揮著重要作用。
      CO2激光器的功率范圍涵蓋從小于10瓦到大于20,000瓦,而且可以在連續波模式或脈沖條件下運轉。在具有足夠的諧振腔長度下,合適的激光設計能夠獲得極佳的光束質量。其效能處于圓棒激光器和碟片或光纖激光器之間。目前市場上主要有兩種CO2激光器概念,它們都是高頻泵浦,但冷卻系統和諧振腔形狀不同:流動型二氧化碳激光器和擴散冷卻型CO2激光器。依據技術的不同,CO2激光器或多或少需要消耗氣體,從而使得其運營成本要高于固體激光器。CO2激光器還有一個缺點,其光束只能通過鏡面來反射傳導。這使得其應用不那么靈活,特別是在切割或焊接等活動應用中。現代擴散冷卻型CO2激光器使用基于泵浦技術的晶體管,幾乎不需要進行維護。激光器制造商們期望二氧化碳激光器能夠立足于中低功率市場,并在激光加工新用戶中頗受歡迎。
      激光打標和超短脈沖激光器
      激光器有各種不同的運轉模式,類型包括:“連續波”在數秒或數分鐘內進行不間斷的激光操作; “脈沖式”的持續時間為毫秒;“短脈沖”的持續時間為納秒;“超短脈沖”的持續時間為皮秒,飛秒或更短。
      短脈沖激光打標,脈沖持續時間以納秒計算,其功率較低,能夠通過固體激光器以及二氧化碳激光器來實現。中國是激光打標的最大市場,每年需要上萬臺激光器,以及大量的供應商和技術。大多數激光打標使用10μm(CO2激光器打標)或1μm(固體激光打標)波長。在市場上我們會發現越來越多的綠光(532 nm)和紫外(343 nm)激光器應用于打標和各種材料。依據激光打標需求的不同,激光器需要高功率和高脈沖來保持脈沖穩定。圓棒激光器的光束質量通常要更好,峰值功率更高。特別是在中國,激光器能在高溫下工作是至關重要的。打標應用可以通過使用掃描來實現;準確性也是一個重要標準。值得一提的是,很多集成到工作臺上的系統是由一位人工進行操作,激光器的安全性(例如機械遮板)也需要考慮。(超)短脈沖激光器出現的時間相對較晚,主要用于不同材料的激光加工,特別是玻璃、陶瓷或印制電路板。基于碟片、光纖或圓棒固體激光器的不同,現在市場上有很多不同類型的超短脈沖激光器。碟片激光器因其卓越的激光參數(平均功率、光束質量和光束穩定性)以及激光微加工領域的領先技術而勝出。圓棒激光器也具有高平均功率,但是穩定性稍差。光纖激光器被用于使用更低功率來實現皮秒激光器,或者更高功率但是更長脈沖持續時間,這在某些應用上存在局限性。為了確定哪種產品滿足所查詢激光器應用的個性化需求,通常需要進行一些討論和試驗。
      激光組件
      激光源通常不能單獨使用。激光束一般必須通過反射鏡或激光光纜進行傳輸,也必須聚焦到工件上。只有一些供應商提供“一站式解決方案”,同時供應激光源和激光組件。最糟糕的情況是,最終解決方案是通過使用不同供應商的產品來實現的,從而會出現失敗的狀況。最重要的是:反射鏡、分束器、激光光纜、加工光學器件、掃描器。
      激光器安全
      最后,在所有激光應用中都必須考慮激光的安全性。通常工業激光器被分為4個等級,4級為最高。
      CO2激光器的激光輻射波長為10μm,固體激光器為1μm,肉眼不可見,對人有傷害。特別是固體激光器光束波長1μm,風險極大。這一波長通過角膜進入眼睛。和可見光一樣,激光聚焦于視網膜。通過眼球的晶狀體聚焦,激光光束將對視網膜造成超過其承受能力50000倍的損害。因此,在使用固態激光器的時候需要特殊眼部安全防護措施—— 專門用于切割、焊接或打標。相反,CO2激光器的激光束波長為10μm,可以被角膜吸收。人們直接被激光束轟擊雖然很危險,但發生的幾率很低。基于這些考慮,激光器特別是在應用固體激光器時,必須配備全面的激光保護裝備。
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