什么原因使圓盤形狀如此理想?圓盤激光技術(shù)是怎樣突破棒狀激光器光束質(zhì)量和固有的光纖長(zhǎng)度限制的?回答了這些問(wèn)題，人們就會(huì)理解：圓盤激光器是怎樣將YAG激光技術(shù)推向一個(gè)新時(shí)代的。

在談到半導(dǎo)體泵浦圓盤激光器的時(shí)候,許多產(chǎn)品和處理方法都隱含在“圓盤”一詞之中。它們的獨(dú)特形狀和解決棒狀激光器存在的光束質(zhì)量和傳輸問(wèn)題的能力，使圓盤激光器成了最具有創(chuàng)新意義的選擇。除了改善電效率、光束質(zhì)量、焦距、離散和光斑大小等性能之外，用半導(dǎo)體泵浦圓盤激光器進(jìn)行材料加工時(shí)，還有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)。

圓盤特征

從半導(dǎo)體泵浦圓盤激光器得到的較高光束質(zhì)量(與燈泵和半導(dǎo)體泵浦棒狀激光器相比)主要與激光介質(zhì)的散熱能力有關(guān)。YAG棒(直徑約6毫米，長(zhǎng)度150毫米)通常用水通過(guò)棒的外圍，進(jìn)行循環(huán)冷卻。這樣做的結(jié)果是：棒的外圍相對(duì)較冷，而棒的中心部位仍然很熱，中心線的溫度最高。這個(gè)溫度差會(huì)在棒中引起熱梯度和熱畸變,從而限制了棒狀YAG激光器的光束質(zhì)量。相比起來(lái)，圓盤(直徑約14毫米，厚0.2毫米)裝在水冷的銅塊(熱沉)上面, 同時(shí)，它還作為一個(gè)腔鏡。 因?yàn)閳A盤的面是裝在熱沉上的，圓盤又很薄(面積與激光受激體積之比很高)，因此冷卻效率很高，所產(chǎn)生的熱梯度，可以忽略。另外，與棒狀激光器一樣，圓盤激光器也可以用串聯(lián)的方法耦合在一起，以增加它的輸出功率。

除了光束質(zhì)量好很多之外, 與棒狀激光器相比，圓盤激光器還有另一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)：圓盤激光器允許采用較長(zhǎng)的光纖來(lái)傳輸光束。盡管要從物理上完全解釋這一現(xiàn)象比較復(fù)?但我們可從以下幾個(gè)方面作一些簡(jiǎn)單的說(shuō)明。首先，背反射(從工件或從光纖端面產(chǎn)生的)可以返回到激光諧振腔中。這個(gè)背反射光可用來(lái)進(jìn)一步泵浦激光材料(棒或圓盤)，泵浦量與YAG材料的體積有關(guān)。在一個(gè)摻鐿:YAG(Yb:YAG)的圓盤中，激光材料的體積，比棒狀Nd:YAG激光材料的體積(約為4240mm3)小得多。棒的背反射泵浦可能引起極高的峰值功率。這樣的峰值功率可能會(huì)破壞內(nèi)部光學(xué)元件和光纖電纜。背反射量是光纖長(zhǎng)度、光纖芯徑和激光功率的函數(shù)(光纖越長(zhǎng)、纖芯越小、功率越高，產(chǎn)生的背反射就越大)。對(duì)圓盤激光器來(lái)說(shuō),因?yàn)樗腨AG體積小, 背反射能量產(chǎn)生的激射可以忽略,因此光纖長(zhǎng)度不再受這種現(xiàn)象限制。

圓盤激光器(半導(dǎo)體泵浦棒狀激光器也是如此)最后的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是很值得注意的：泵浦圓盤的光能來(lái)自半導(dǎo)體激光器。這與燈(如弧光燈)泵激光器相比，優(yōu)點(diǎn)特別突出。它們之間的差別是：半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生很狹的波長(zhǎng)范圍(幾乎全部光能都對(duì)激光有用),而燈的波長(zhǎng)范圍非常寬,大部分對(duì)激光的產(chǎn)生無(wú)用，反而產(chǎn)生沒(méi)有用的熱能。這是使圓盤激光器的總電光效率大于15%的基本原因,典型燈泵激光器的總電光效率僅為3%到4%(而半導(dǎo)體泵浦棒狀激光器的總電光效率約為10%)。

光束質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)

在談及光束聚焦能力和激光在工件上的功率密度時(shí)，光束質(zhì)量問(wèn)題就變得十分重要了。但是，光束必須首先被聚焦到光纖中，在確定傳輸光束的光纖大小時(shí)，光束質(zhì)量是最重要的因素。光束質(zhì)量, 有時(shí)也稱“光束參數(shù)積”,或BPP,是光束半徑和光束半發(fā)散角的積,用毫米-毫弧度表達(dá)。 對(duì)將光束聚焦進(jìn)光纖而言，光束半徑是指聚焦光束在光纖入口處的半徑，而光束半發(fā)散角則等于耦合光束的半角。為了產(chǎn)生較穩(wěn)定的激光裝置，在光纖入口處的聚焦光斑必須小于光纖芯徑, 要小到可以用即插即用的方式更換光纖(在現(xiàn)場(chǎng)更換光纜，而無(wú)需進(jìn)行任何調(diào)節(jié)的能力)。

纖芯直徑(φc)與在工件上的聚焦光斑(d)有直接關(guān)系，因此與也功率密度有關(guān)，這種關(guān)系可用下式表示：

d =φc (f/fc)

其中，f是聚焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距，fc是準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的焦距。

因此,纖芯直徑越小,聚焦光斑的直徑也越小。但是，光有聚焦成小光斑的能力是不夠的。還要考慮功率密度問(wèn)題。功率密度(Pd)是指：?jiǎn)挝痪劢构獍呙娣e的激光功率(P)(面積=πd2/4)

Pd =4 P /πd2

所以，當(dāng)將半導(dǎo)體泵浦圓盤激光器(Trumpf型號(hào)HLD 4002, 在工件上的功率高達(dá)4千瓦， 直徑光纖為200μm)與燈泵棒狀激光器(Trumpf 模型 HL 4006,在工件上的功率高達(dá)4千瓦， 直徑光纖為600μm)進(jìn)行光斑大小和功率密度比較時(shí)，光束質(zhì)量的優(yōu)越性，就可通過(guò)所產(chǎn)生的功率密度或焦距清楚地看出。

較高的功率密度可用來(lái)產(chǎn)生高速、較狹的焊縫，或者通過(guò)采用長(zhǎng)焦距透鏡，產(chǎn)生低速、較寬的焊縫。與短焦距透鏡相比，采用長(zhǎng)焦距透鏡的好處是：它使加工光學(xué)元件能遠(yuǎn)離焊接煙霧和濺污, 而且產(chǎn)生了大得多的聚焦深度(或較大的加工窗口)。

對(duì)焊接應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最有意義的聚焦深度關(guān)系(景深)是所謂的5%定義。 5%聚焦深度(L5%)定義為這樣的一個(gè)范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，光斑大小變化不超過(guò)5%。換句話說(shuō)，如果“在焦點(diǎn)”的光斑為0.1毫米, 聚焦深度為5%的話，則光斑大小不會(huì)大于0.105毫米。L5%依賴于聚焦光斑大小(d)、輸出光束質(zhì)量(BQexit)和激光波長(zhǎng)(λ，燈泵YAG為1064nm，半導(dǎo)體泵浦圓盤激光器為1030nm),它們之間的關(guān)系可用下式表示：

L5% = d2/(6λBQexit)

因此，任何激光器的光束質(zhì)量可直接說(shuō)明它的聚焦能力，及光斑大小、焦距和聚焦深度等相關(guān)參數(shù)。

遠(yuǎn)距離焊接

幾年來(lái)，在CO2激光器領(lǐng)域中，焊接零件的獨(dú)特概念一直在發(fā)展。這種焊接過(guò)程(它以遠(yuǎn)距離焊接聞名于世)僅在增加功率并具有很好的光束質(zhì)量(如Trumpf TLF 6000 HQ,6千瓦激光器，近高斯分布)時(shí)，才有可能實(shí)現(xiàn)。由于圓盤激光器的光束質(zhì)量很好，遠(yuǎn)距離焊接也可以用YAG激光器實(shí)現(xiàn)。

不像CO2激光器遠(yuǎn)距離焊接系統(tǒng)那樣，需采用具有飛行光學(xué)元件的桶架式結(jié)構(gòu)來(lái)傳送光束， YAG遠(yuǎn)距離焊接可利用纖維光學(xué)的光束傳送能力,將光耦合到裝在機(jī)械手上的掃描頭上。在CO2和YAG遠(yuǎn)距離焊接之間有許多差別，在評(píng)估任何遠(yuǎn)距離焊接系統(tǒng)時(shí)，這些差別應(yīng)該考慮。它們也為進(jìn)一步研究和分析提供了線索。

圓盤激光器的極好光束質(zhì)量允許光束通過(guò)更小直徑的光纜傳送，因此，在給定的焦距，可產(chǎn)生更小的聚焦光斑直徑(用于快速加工的功率密度更高), 或者，對(duì)給定的聚焦光斑大小，可產(chǎn)生更大的加工景深(更大的加工窗口，更穩(wěn)定和更遠(yuǎn)的焊接能力)。