• 商品名称: 1微米激光器概述

 

 

下面介绍几种1微米激光系统:

Nd:YAG固体激光器

固体激光器的激光激发材料为合成晶体棒,此晶体棒通常从氙闪光灯或者激光二极管获得泵浦能量。很多固体激光器都采用带有外反射镜的激光谐振腔。在工业应用中,最常用的激光器晶体都是由Nd:YAG制成的。 这些激光器在波长为1.06μm的近红外区工作,其功率输出可高达5千瓦。 Nd:YAG激光器的用途包括切割、钻孔、焊接、划线与雕刻等。 由Nd:YAG激光器加工的材料包括碳树脂、陶瓷、大部分的金属与大部分的塑料。YAG激光器i经常用于工业焊接应用,并且通过串联晶体棒的方式测定功率。 与CO2系统不同,YAG的激光器可以通过光纤传输系统传导功率。其输出光纤(以及光束直径)比光纤激光器要大,并且依旧可以提供比CO2激光器更为灵活的光束传导。事实上,借助大功率光纤传导技术,ND:YAG已经可以在很多原来与CO2同样受限的领域使用。由于机器人也可以使用光纤,因此ND:YAG的集成也比CO2激光器简单。因此,YAG的主要优势在于较小的波长以及应用机器人学的能力。此外,YAG的等离子体羽也相对较低,因此无需保护气体。此类激光器的缺点包括较差的壁式插座效率(约为3%)以及较大的覆盖区域(与二极管和光纤激光系统相比)。较大的覆盖区域是由于较大的冷却系统造成。此外,YAG可以提供充分的用于焊接的光束质量,然而在切割方面则表现不足(原因是其可实现的能量密度较低)。其切割性能被削弱的原因之一是,在与光纤耦合时,ND:YAG的光束质量下降。

 

半导体激光器

直接二极管激光器系统可通过与基于光纤或反射镜的传导系统进行连接来提供功率。当这些激光二极管以一维阵列或二维阵列的方式被分组或“堆叠”时,其总的功率输出可以达到千瓦的级别。激光二极管材料沿着自然刻面裂开,生成反射表面。 因此,二极管自身就起了谐振器的作用。电流提供了泵源。波长取决于制成二极管的半导体材料。由于光束通常为线形或矩形,如果需要较为集中的聚焦光束,工业二极管激光器堆栈并不适用于钻孔或切割。然而,其可适用于包括连续缝焊、铜焊、包层、热处理与锡焊等应用。可以使用工业二极管激光器加工的材料包括大部分金属与塑料。此外,由于其波长(0.8-1.0 μm)通常比Nd:YAG(1.06 μm)或CO2激光器(10.6μm)短,工业二极管激光器在铝以及其他金属中的吸收率则要高得多,并且其无需像CO2激光器那样,需要对金属进行预先镀膜处理。除了工业用途外,激光器二极管同样还在固体(水晶)、盘形以及光纤激光器中用作泵源。与其他类型的激光器相比,二极管激光器的效率要高出许多,并且可以提供较低的能量密度(即便是被堆叠或与光纤耦合)。然而,二极管激光器(以及采用二极管激光器泵送其他材料的系统)的发展依然受到二极管过早损坏以及由此产生的对其可靠性担忧的影响。如果二极管堆栈出现故障,其必须进行更换,或者在系统设计中另行设计内置冗余,因此成本较高。二极管激光器的最大可用商用功率水平超过5千瓦。

 

光纤激光器

在过去两年中,光纤激光器取得了巨大的进步。虽然光纤激光器目前仍然没有被作为工业工具而被广泛应用,但其已经在一些新应用领域展示了潜能。其当前的主要用途为低功率应用。由于其比其他类型的激光器占用面积要小,因此其模块性非常强。由于激光谐振腔为传统的多模光纤,因此其可以向系统提供小口径的光纤传导,并且不因空气与光纤之间的耦合而产生损失。并且,在1.07μm的发射波长下,光纤内的损耗也相对较低。光纤通常使用石英玻璃制成,同时掺杂有镱(Yb),由二极管激光器泵浦,并覆盖以光纤光栅传感器。 激光器同时配备有多层输出端以及单发射体二极管激光器,因此可达到超过10千瓦的功率。光纤激光器的主要缺点包括大量二极管堆叠带来的高成本(每个单独的发射器目前仅可提供大约4瓦的功率)以及相关的稳定性问题。克服二极管生命周期不确定性的关键在于冗余度。虽然这可能会进一步增加费用以及复杂性,但是在二极管堆栈发生故障时,其可作为临时方案使用。

由于其对材料有较强吸收性,光纤激光器可以在金属加工中提供较佳的波长范围。300μm光纤同样可以提供非常笔直的光束剖面图,这对于焊接以及增加焦点深度而言是极为有利的。光纤激光器的主要优势在于,其可以在较细的光纤中传导,这可以通过成本较为低廉的机器人实现操作。

在某些应用领域,预计光纤激光器将最终取代CO2激光系统。例如,在造船业中目前所使用的是4-8千瓦的CO2激光系统。“但是,在大约5年之后,我们将会在这些工艺中发现光纤激光器的身影,”Stefan Heinemann(美国Fraunhofer(激光器技术中心))如是说。这种说法的根据是在受限条件下使用光纤输出进行操作的能力。

碟片激光器

在碟片式激光系统中,激光活性媒质是厚度不到200μm的极薄碟片。Yb:YAG晶体在前侧受激于准—末端—泵浦设计的二极管激光器堆栈(stack)。后侧进行全面冷却。由于厚度小,只吸收了一部分泵浦光束。在由一个抛物面反射镜和一个回复反射镜(见图)组成的乐天堂系统中,每个圆盘上的未吸收功率将从每个二极管激光器系统成像数次,从而优化效率。一般来说,每个泵浦光束最多将实现32遍。一个圆盘可产生最多3.5 kW功率,这些激光器在波长为1.03μm的近红外上工作。通过创新设计,比如如图所示的一种设计,可级联多个圆盘,从而达到更高的功率水平。

由于整个碟片的背面可以完全冷却,热透镜效应将保持最低。热流和温度梯度主要出现在轴上,导致几乎均匀的温度分布和最小的波前失真。鉴于这些优势,即使在较高的激光功率上也可以实现出色的光束质量。活性媒质造成的去极化也非常低。此外,可以通过泵浦直径和泵浦功率的变化实现简单的功率伸缩性。

模块化设计使得改变不同激光参数成为可能,如操作模式、功率水平和光束质量。激光器模块由一个薄圆盘模块和谐振器或外壳等其他零件组成。薄盘式模块通过一个冷却装置或室内供水冷却。完全组装好的模块包含一个合格的已镀膜并接在散热器上的薄圆盘与多遍泵辐射成像需要的乐天堂系统集成。晶体可组装在一个测角仪底座上,使薄圆盘能作为谐振器中的一个反射镜使用。

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质量。小光束以及由此带来的高能量密度减小了切口损失,加快了薄钢板上的切割速度。(因为厚钢板切割需要较宽的切口,以便改善气流动力学,然而,盘式激光器在这种样品上效率较低,切割速度也较慢。)此外,直径更小的纤维输送系统可以用更为经济的机器人操纵激光器输出。

在多数焊接应用中,不少人把这种激光器视为Nd:YAG激光器的后继。工作距离长、光束质量高的盘式激光器在大功率应用中有着卓越且长期的潜力。

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