• 商品名稱: 1微米激光器概述

 

 

下面介紹幾種1微米激光系統:

Nd:YAG固體激光器

固體激光器的激光激發材料為合成晶體棒,此晶體棒通常從氙閃光燈或者激光二極管獲得泵浦能量。很多固體激光器都采用帶有外反射鏡的激光諧振腔。在工業應用中,最常用的激光器晶體都是由Nd:YAG制成的。 這些激光器在波長為1.06μm的近紅外區工作,其功率輸出可高達5千瓦。 Nd:YAG激光器的用途包括切割、鉆孔、焊接、劃線與雕刻等。 由Nd:YAG激光器加工的材料包括碳樹脂、陶瓷、大部分的金屬與大部分的塑料。YAG激光器i經常用于工業焊接應用,并且通過串聯晶體棒的方式測定功率。 與CO2系統不同,YAG的激光器可以通過光纖傳輸系統傳導功率。其輸出光纖(以及光束直徑)比光纖激光器要大,并且依舊可以提供比CO2激光器更為靈活的光束傳導。事實上,借助大功率光纖傳導技術,ND:YAG已經可以在很多原來與CO2同樣受限的領域使用。由于機器人也可以使用光纖,因此ND:YAG的集成也比CO2激光器簡單。因此,YAG的主要優勢在于較小的波長以及應用機器人學的能力。此外,YAG的等離子體羽也相對較低,因此無需保護氣體。此類激光器的缺點包括較差的壁式插座效率(約為3%)以及較大的覆蓋區域(與二極管和光纖激光系統相比)。較大的覆蓋區域是由于較大的冷卻系統造成。此外,YAG可以提供充分的用于焊接的光束質量,然而在切割方面則表現不足(原因是其可實現的能量密度較低)。其切割性能被削弱的原因之一是,在與光纖耦合時,ND:YAG的光束質量下降。

 

半導體激光器

直接二極管激光器系統可通過與基于光纖或反射鏡的傳導系統進行連接來提供功率。當這些激光二極管以一維陣列或二維陣列的方式被分組或“堆疊”時,其總的功率輸出可以達到千瓦的級別。激光二極管材料沿著自然刻面裂開,生成反射表面。 因此,二極管自身就起了諧振器的作用。電流提供了泵源。波長取決于制成二極管的半導體材料。由于光束通常為線形或矩形,如果需要較為集中的聚焦光束,工業二極管激光器堆棧并不適用于鉆孔或切割。然而,其可適用于包括連續縫焊、銅焊、包層、熱處理與錫焊等應用。可以使用工業二極管激光器加工的材料包括大部分金屬與塑料。此外,由于其波長(0.8-1.0 μm)通常比Nd:YAG(1.06 μm)或CO2激光器(10.6μm)短,工業二極管激光器在鋁以及其他金屬中的吸收率則要高得多,并且其無需像CO2激光器那樣,需要對金屬進行預先鍍膜處理。除了工業用途外,激光器二極管同樣還在固體(水晶)、盤形以及光纖激光器中用作泵源。與其他類型的激光器相比,二極管激光器的效率要高出許多,并且可以提供較低的能量密度(即便是被堆疊或與光纖耦合)。然而,二極管激光器(以及采用二極管激光器泵送其他材料的系統)的發展依然受到二極管過早損壞以及由此產生的對其可靠性擔憂的影響。如果二極管堆棧出現故障,其必須進行更換,或者在系統設計中另行設計內置冗余,因此成本較高。二極管激光器的最大可用商用功率水平超過5千瓦。

 

光纖激光器

在過去兩年中,光纖激光器取得了巨大的進步。雖然光纖激光器目前仍然沒有被作為工業工具而被廣泛應用,但其已經在一些新應用領域展示了潛能。其當前的主要用途為低功率應用。由于其比其他類型的激光器占用面積要小,因此其模塊性非常強。由于激光諧振腔為傳統的多模光纖,因此其可以向系統提供小口徑的光纖傳導,并且不因空氣與光纖之間的耦合而產生損失。并且,在1.07μm的發射波長下,光纖內的損耗也相對較低。光纖通常使用石英玻璃制成,同時摻雜有鐿(Yb),由二極管激光器泵浦,并覆蓋以光纖光柵傳感器。 激光器同時配備有多層輸出端以及單發射體二極管激光器,因此可達到超過10千瓦的功率。光纖激光器的主要缺點包括大量二極管堆疊帶來的高成本(每個單獨的發射器目前僅可提供大約4瓦的功率)以及相關的穩定性問題。克服二極管生命周期不確定性的關鍵在于冗余度。雖然這可能會進一步增加費用以及復雜性,但是在二極管堆棧發生故障時,其可作為臨時方案使用。

由于其對材料有較強吸收性,光纖激光器可以在金屬加工中提供較佳的波長范圍。300μm光纖同樣可以提供非常筆直的光束剖面圖,這對于焊接以及增加焦點深度而言是極為有利的。光纖激光器的主要優勢在于,其可以在較細的光纖中傳導,這可以通過成本較為低廉的機器人實現操作。

在某些應用領域,預計光纖激光器將最終取代CO2激光系統。例如,在造船業中目前所使用的是4-8千瓦的CO2激光系統。“但是,在大約5年之后,我們將會在這些工藝中發現光纖激光器的身影,”Stefan Heinemann(美國Fraunhofer(激光器技術中心))如是說。這種說法的根據是在受限條件下使用光纖輸出進行操作的能力。

碟片激光器

在碟片式激光系統中,激光活性媒質是厚度不到200μm的極薄碟片。Yb:YAG晶體在前側受激于準—末端—泵浦設計的二極管激光器堆棧(stack)。后側進行全面冷卻。由于厚度小,只吸收了一部分泵浦光束。在由一個拋物面反射鏡和一個回復反射鏡(見圖)組成的光學系統中,每個圓盤上的未吸收功率將從每個二極管激光器系統成像數次,從而優化效率。一般來說,每個泵浦光束最多將實現32遍。一個圓盤可產生最多3.5 kW功率,這些激光器在波長為1.03μm的近紅外上工作。通過創新設計,比如如圖所示的一種設計,可級聯多個圓盤,從而達到更高的功率水平。

由于整個碟片的背面可以完全冷卻,熱透鏡效應將保持最低。熱流和溫度梯度主要出現在軸上,導致幾乎均勻的溫度分布和最小的波前失真。鑒于這些優勢,即使在較高的激光功率上也可以實現出色的光束質量。活性媒質造成的去極化也非常低。此外,可以通過泵浦直徑和泵浦功率的變化實現簡單的功率伸縮性。

模塊化設計使得改變不同激光參數成為可能,如操作模式、功率水平和光束質量。激光器模塊由一個薄圓盤模塊和諧振器或外殼等其他零件組成。薄盤式模塊通過一個冷卻裝置或室內供水冷卻。完全組裝好的模塊包含一個合格的已鍍膜并接在散熱器上的薄圓盤與多遍泵輻射成像需要的光學系統集成。晶體可組裝在一個測角儀底座上,使薄圓盤能作為諧振器中的一個反射鏡使用。

碟片式激光器具有比Nd:YAG激光器更高的效率和更好的光束質量。小光束以及由此帶來的高能量密度減小了切口損失,加快了薄鋼板上的切割速度。(因為厚鋼板切割需要較寬的切口,以便改善氣流動力學,然而,盤式激光器在這種樣品上效率較低,切割速度也較慢。)此外,直徑更小的纖維輸送系統可以用更為經濟的機器人操縱激光器輸出。

在多數焊接應用中,不少人把這種激光器視為Nd:YAG激光器的后繼。工作距離長、光束質量高的盤式激光器在大功率應用中有著卓越且長期的潛力。

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