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光纖激光器

光纖激光器的設(shè)計及應(yīng)用

星之球激光 來源:光電社區(qū)2011-10-15 我要評論(0 )   

過往,光纖激光器廣泛應(yīng)用于電信產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,可使高質(zhì)量單模低功率系統(tǒng)的均勻無故障時間達到約25年,確保只要通訊技術(shù)安裝之后,就可以一勞永逸,根本不用為其擔心了。隨...

      過往,光纖激光器廣泛應(yīng)用于電信產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,可使高質(zhì)量單模低功率系統(tǒng)的均勻無故障時間達到約25年,確保只要通訊技術(shù)安裝之后,就可以一勞永逸,根本不用為其擔心了。隨著上世紀90年代末電信市場的崩潰,光纖激光器制造商已將工作重心轉(zhuǎn)向滿足產(chǎn)業(yè)制造、軍事、醫(yī)療以及航天領(lǐng)域的需求。從電信向其他產(chǎn)業(yè)的這一轉(zhuǎn)變需要相應(yīng)的高低功率激光技術(shù),重點要滿足一定的操縱和性能目標,從而占據(jù)價值數(shù)十億激光材料處理市場的一部分份額。目前市場上銷售的各種光纖激光器技術(shù)種類之多令人吃驚,可滿足各種產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的需求。功率級小于200W的低功率單模系統(tǒng)正在微處理標記和醫(yī)療應(yīng)用中得到越來越多的采用,同時該技術(shù)也在向高功率級方向快速發(fā)展,不會損壞光纖。此外,其還為激光材料處理應(yīng)用開辟了新的天地。
  各廠商均推出了光纖激光器系統(tǒng)和元件。GSI推出的貿(mào)易產(chǎn)品系列的輸出功率高達200W,明年可達2千瓦,而IPG的產(chǎn)品輸出功率則小于10kW。IMRA、Spectra- Physics Inc、Synchronous Inc及Optigain Inc等制造商主要經(jīng)營低功率和短脈沖領(lǐng)域。顯然,單模光纖激光器已率先占據(jù)了其它低功率激光器技術(shù)的一部分市場份額,與現(xiàn)有的CO2和燈泵浦 Nd:YAG技術(shù)競爭。本文將重點討論高功率光纖激光器技術(shù)的近期發(fā)展,并探討現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)標準將為當今對技術(shù)不斷提出更高要求的制造產(chǎn)業(yè)帶來何種新機遇。
  光纖激光器設(shè)計
  高功率光纖激光器小巧可靠,在光束質(zhì)量和功率轉(zhuǎn)換效率(大約20%)方面優(yōu)于燈泵浦Nd:YAG激光。光纖激光器含有一個長光纖激光器腔(約12米),沿整個長度方向分配泵浦能量。高效率可以減少熱治理題目,而余熱可以沿整條光纖消散。大部分摻稀土硅光纖激光器都是由輸出分別約為 1550nm與1060nm的Er或Yb摻質(zhì)物組成。與1550nm輸出相比,1060nm輸出時可實現(xiàn)更高的效率。橫電磁模分布由纖芯的導(dǎo)波特性控制。寬度為數(shù)十微米的窄光纖可以實現(xiàn)單模操縱,而更高的纖芯直徑可以產(chǎn)生更高階模式。
  在設(shè)計穩(wěn)定、可靠的光纖激光器系統(tǒng)過程中,一系列其他基于光纖的元件可以構(gòu)建單片式“全光纖”激光腔。其他文獻已經(jīng)廣泛探討了全光纖設(shè)計的上風(fēng),其中兩個主要上風(fēng)是無光學(xué)對準和外露光學(xué)表面。這些功能元件中最主要的是泵浦合束器和布拉格光柵反射器。圖1是我們設(shè)計的此類光纖激光器腔的示意圖。輸出光纖采用直徑低于10微米的單模纖芯,其可以確保高質(zhì)量光束輸出。此架構(gòu)旨在能夠在水冷散熱片構(gòu)造中產(chǎn)生高達500W輸出功率,并且達到10萬小時二極管整體使用壽命,同時能夠在室內(nèi)空氣溫度達到35℃情況下采用強制空氣冷卻產(chǎn)生高達120W輸出功率,并且可靠性與二極管相當。
  光纖激光器系統(tǒng)的性能與可靠性取決于泵浦激光二極管。過往十年來,能夠在900~980nm波長范圍內(nèi)產(chǎn)生數(shù)瓦輸出功率的多模二極管泵浦源已經(jīng)實現(xiàn)商用。有些泵浦源具有極高的可靠性,其正常工作條件下的均勻無故障時間已經(jīng)超過50萬小時。結(jié)合適當冗余性,MTBF超過10萬小時的此類泵浦源都能夠用于構(gòu)建輸出功率達到數(shù)百瓦的光纖激光器。
  應(yīng)用于顯微機械加工
  對于需要優(yōu)異模質(zhì)量和高聚焦性能來實現(xiàn)小形體尺寸的顯微機械加工工藝,這些新型激光器能夠?qū)崿F(xiàn)貿(mào)易應(yīng)用。多年來,脈沖 Nd:YAG激光一直是金屬精密切割、精細焊接和鉆孔的首選。在1微米波長四周,與同等二氧化碳激光器相比,其聚焦光學(xué)鏡更小,更簡單,而且可以實現(xiàn)更小的光點尺寸。超精密顯微機械加工對更高效、小巧、高光束質(zhì)量激光器的需求推動了光纖激光器開發(fā)工作的快速增長。這些激光器在IR光譜區(qū)四周工作,與傳統(tǒng)激光相比具有多種上風(fēng),而且在實現(xiàn)新的顯微機械加工應(yīng)用方面具有更大潛力。
  醫(yī)療行業(yè)是激光微切割最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一,光纖激光正在逐步替換脈沖燈泵Nd:YAG激光。由于以下兩個基本原因,醫(yī)療設(shè)備一般很小:一是它們通常需要安裝到狹小區(qū)域;二是其制作材料昂貴,減少尺寸也就是降低本錢。能夠在僅有幾微米區(qū)域工作的激光器是精巧、昂貴設(shè)備的理想解決方案。醫(yī)療設(shè)備行業(yè)對微切割需求最強烈的應(yīng)用可能是支架切割。支架是一種永久插進動脈的纖細、格狀金屬管。其有助于擴張動脈,疏通血流。這種插進到患病冠狀動脈中的圓柱形金屬支架,能使血液恢復(fù)充分流通。支架所用材料包括316L不銹鋼或鎳鈦合金(外形記憶合金)。管的典型直徑為1~10毫米,壁厚約 100微米。關(guān)鍵是切口寬度要?。?0~30微米),這就要求光纖激光器需提供較高的光束質(zhì)量與激光功率穩(wěn)定性。激光切割必須具有較高的表面質(zhì)量,較小的熱影響區(qū)域,而且無殘渣。圖2是經(jīng)過切割與超聲波清洗器清洗后的典型支架SEM顯微圖。利用100W光纖激光器可以實現(xiàn)超高輪廓精度(《5微米)的無殘渣切割(寬度為20微米)。采用單模激光輸出以及氮氣輔助氣體,切割厚度為0.5毫米的316L不銹鋼的典型速度大約為 5米/分鐘。圖3是氧氣和氮氣之間的不銹鋼切割速度對比圖。相關(guān)切割數(shù)據(jù)來自GSI 100W單模光纖激光器。
  光纖激光器也是SMT模板制作的理想選擇??梢栽诤穸葹?50~500微米的不銹鋼中制作各種外形的精密輪廓。
  除了適用于玄色金屬和非金屬薄片,光纖激光器在切割厚的多晶硅(硅片)方面也頗具上風(fēng)。多晶硅材料非常脆,在激光切割過程中極易破裂。迄今,脈沖燈泵Nd:YAG已經(jīng)成功用于切割此類材料。最初采用單模100W光纖激光器在 GSI上進行的切割實驗在切割速度、切割邊角質(zhì)量和細裂紋(長度約10~15微米)方面取得了非常令人振奮的成果。這和采用脈沖Nd:YAG激光源十分接近,只是由于條紋比Nd:YAG激光器差幾個數(shù)目級,從而在邊沿質(zhì)量方面僅稍遜一些。
  應(yīng)用于微焊接
  由于單模光纖激光用具有高光束質(zhì)量,因此在焊接玄色金屬和有色金屬材料薄片時可以實現(xiàn)很高的焊接速度。采用GSI單模光纖激光器已經(jīng)證實能夠?qū)崿F(xiàn)鈦及不銹鋼的薄片、高縱橫比焊接以及小孔焊接。低功率單模光纖激光器可用于各種材料的點焊、傳導(dǎo)焊接以及小孔焊接,這些材料包括低碳鋼、 Inconel、鍍鋅鋼、鋁合金、銅合金、不銹鋼以及鈦合金等。
  利用CW光纖激光器只能焊接最大厚度為1毫米的不銹鋼,而利用配置高功率、增強型控制以及復(fù)雜脈沖成形設(shè)備的高精度、低均勻功率Nd:YAG激光器可以進步眾多材料的微焊接靈活性。利用脈沖(脈沖成形)中時間能量變化的正確成形,可以實現(xiàn)各種材料的高質(zhì)量焊接,其中包括鋁合金、銅合金以及異金屬材料等高反射比材料。
  由于具有很高的光束質(zhì)量和小光點直徑,單模光纖激光器非常適合微切割。但是由于目前其脈沖能量和峰值功率較低,而且脈沖寬度很窄,因此此類激光并非微焊接應(yīng)用的首選。
  應(yīng)用于宏觀機械加工
  當前,各種用戶仍然在對高功率光纖激光進行評估,其主要應(yīng)用包括汽車、航空航天以及造船等行業(yè)。在汽車行業(yè),光纖激光用于白車身焊接、激光拼焊板以及液壓成形切割等。與傳統(tǒng)的燈泵浦Nd:YAG激光相比,光纖激光因具備優(yōu)異的光束質(zhì)量而可用于汽車行業(yè)的遠間隔焊接。#p#分頁標題#e#
  顯然,此類激光能夠?qū)崿F(xiàn)極高的焊接速度以及深度穿透力。但是,解決利用小光點直徑和高光束質(zhì)量焊接厚板材時存在的題目仍然有待進一步改進,如:部件裝配,更重要的是深度穿透小孔產(chǎn)生的激光誘導(dǎo)等離子體/異質(zhì)物。此類等離子/異質(zhì)物會妨礙焊透深度,造成熔池中心蒸汽填充小孔的不穩(wěn)定性,從而造成粗孔隙,對于厚度超過4毫米的材料尤其如此。
 

 

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