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電子加工新聞

指南:中國(guó)激光市場(chǎng)技術(shù)與應(yīng)用概述

星之球激光 來(lái)源:光電論壇2014-09-26 我要評(píng)論(0 )   

五十年前人們發(fā)明了激光,還在考慮這種技術(shù)如何應(yīng)用。近十年來(lái),激光已進(jìn)入近乎所有材料加工領(lǐng)域,如今激光已成為工業(yè)生產(chǎn)中最先進(jìn)和最重要的工具。中國(guó)蘊(yùn)含著巨大的潛...

 

       五十年前人們發(fā)明了激光,還在考慮這種技術(shù)如何應(yīng)用。近十年來(lái),激光已進(jìn)入近乎所有材料加工領(lǐng)域,如今激光已成為工業(yè)生產(chǎn)中最先進(jìn)和最重要的工具。中國(guó)蘊(yùn)含著巨大的潛力,成為工業(yè)激光名副其實(shí)的全球應(yīng)用市場(chǎng)。中國(guó)業(yè)界在其產(chǎn)業(yè)加工中應(yīng)用激光技術(shù)的迅速程度曾讓人嘆為觀止,現(xiàn)今仍然如此。

  如今有很多不同的激光技術(shù)和系統(tǒng)可供選擇,問(wèn)題通常在于哪種技術(shù)能為其提供最佳解決方案。沒(méi)有一種激光技術(shù)能滿足所有需求,未來(lái)的技術(shù)發(fā)展也不會(huì)改變這一點(diǎn):選擇使用哪種激光是特定的。其實(shí)質(zhì)上是哪種激光最適用于某一既定任務(wù)。現(xiàn)今中國(guó)激光市場(chǎng)上的固體激光器、半導(dǎo)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(yīng)用,以不同方式滿足主要的購(gòu)買準(zhǔn)則。

  固體激光器

  固體激光器使用增益介質(zhì)來(lái)產(chǎn)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)?,F(xiàn)在工業(yè)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(xù)波激光器可提供高功率的動(dòng)力,而脈沖激光器則產(chǎn)生極短的高能脈沖,對(duì)工件產(chǎn)生的熱量降至最小。

  YAG激光器發(fā)射的光束波長(zhǎng)約為1μm,這處于近紅外光譜帶。因此,玻璃光學(xué)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(jìn)行超遠(yuǎn)距離光束傳輸,從而可以在各種不同地點(diǎn)使用YAG激光器。激光光束聚焦于光纜,并在離開光纖時(shí)重新排列,從而再次并行。

  由于光束傳輸?shù)撵`活性,以及易于集成到其它系統(tǒng),固體激光器應(yīng)用于如切割、焊接或電鍍等3D制造加工。盡管在未來(lái)二氧化碳激光器的需求將增大,但固體激光器也將越來(lái)越多地替代CO2激光器,甚至是在如2D切割等傳統(tǒng)二氧化碳激光器加工領(lǐng)域。

  碟片激光器

  碟片激光器的核心是厚度通常不超過(guò)0.1mm的小型Yb:YAG薄片。第一臺(tái)工業(yè)碟片激光器于十年前引進(jìn)。碟片激光器整合了兩種光束源的優(yōu)點(diǎn):半導(dǎo)體激光器的高效性和碟片激光器的高光束質(zhì)量。現(xiàn)今碟片激光器代表著高功率激光器的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如在汽車或鈑金加工行業(yè)。碟片激光器的設(shè)計(jì)極為簡(jiǎn)單:在活動(dòng)碟片和輸出鏡之間產(chǎn)生激光功率。德國(guó)TRUMPF等供應(yīng)商提供功率高于16kW以及每個(gè)碟片功率高達(dá)6kW的激光器。除了高功率應(yīng)用外,碟片激光器具備超高光束質(zhì)量和穩(wěn)定性,這也是超短脈沖激光器的基礎(chǔ)。

  碟片的模塊化設(shè)計(jì)形成極強(qiáng)的堅(jiān)固性以及針對(duì)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(nèi)只有極少部分的激光功率會(huì)被輸出鏡所去耦合。因此返回到諧振腔內(nèi)的背射激光功率就不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響,這是相對(duì)于其它高功率激光器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

  當(dāng)前的產(chǎn)品使用長(zhǎng)壽命泵浦模塊,高轉(zhuǎn)換效率和近乎零耗材(只需要水循環(huán)),其運(yùn)營(yíng)成本低。碟片激光器是一種光電機(jī)械系統(tǒng),因此易于保養(yǎng)維護(hù)。和圓棒激光器類似,激光光束能夠簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)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(zhì)是摻雜了如鉺、鐿、釹、銩等稀有金屬的光纖,從而可以產(chǎn)生不同的波長(zhǎng)。將整個(gè)諧振器整合在一個(gè)光纖中的理念很簡(jiǎn)單,但是這一“多合一設(shè)計(jì)”的實(shí)現(xiàn)卻極具挑戰(zhàn)。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(tái)光纖激光器是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),具有數(shù)百個(gè)這樣的連接,即接頭。由于這一整體式設(shè)計(jì),其可服務(wù)性變得有限,實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)失誤就只能通過(guò)更換激光組件或整個(gè)光纖激光器來(lái)解決。

  和其他固體激光器相反,光纖激光器具有一個(gè)“高放大諧振腔”,意味著諧振腔中大部分功率都將通過(guò)輸出鏡。因此,回散光功率將對(duì)諧振腔系統(tǒng)產(chǎn)生高應(yīng)力,而由于光纖直徑小,這會(huì)將光纖內(nèi)的功率密度增加到一個(gè)危險(xiǎn)程度。

  現(xiàn)在光纖激光器已經(jīng)極為常見,也成為如激光打標(biāo)等低功率脈沖應(yīng)用以及切割或焊接等高功率應(yīng)用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。和碟片激光器或半導(dǎo)體激光器一樣,光纖激光器的運(yùn)營(yíng)成本低。

  圓棒激光器、燈管或二極管泵浦

  圓棒激光器過(guò)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(xù)激光器?,F(xiàn)今這一技術(shù)通常用于低功率脈沖操作,如焊接或打標(biāo),以及作為超短脈沖激光器的基礎(chǔ)。其增益介質(zhì)通常是Nd:YAG晶體,諧振腔由兩塊反射鏡組成。這一機(jī)械設(shè)計(jì)使其易于維修。

  圓棒激光器的主要缺點(diǎn)在于對(duì)圓棒的高溫影響將降低光束的質(zhì)量。其功率轉(zhuǎn)換效率要比碟片、光纖或半導(dǎo)體激光器技術(shù)低得多。但是圓棒激光器仍是點(diǎn)焊或高質(zhì)量打標(biāo)等脈沖應(yīng)用的上好選擇。

  半導(dǎo)體或二極管激光器

  半導(dǎo)體激光器也是固態(tài)形式,但是通常被認(rèn)為是和固體激光器不同的類。如果僅按照已出售激光器數(shù)量來(lái)排列所有光源,半導(dǎo)體激光器將位居榜首,人們可以在數(shù)百萬(wàn)日用消費(fèi)品中見到它們的身影,從CD/DVD驅(qū)動(dòng),激光打印機(jī)以及激光指示棒到超市條碼掃描器和擋光板。半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)和通信技術(shù),測(cè)量技術(shù)等。二極管激光器是極其緊湊和穩(wěn)定的光源,其機(jī)械設(shè)計(jì)也易于維護(hù)。半導(dǎo)體既充當(dāng)活性介質(zhì)也是諧振腔。半導(dǎo)體激光器沒(méi)有任何活動(dòng)部件,因此不會(huì)出現(xiàn)方向偏離。其效率要高于其它任何光源。另外一個(gè)好處在于電流與電源直接連接,即使在低閾值電流時(shí)激光器也發(fā)光。

  半導(dǎo)體激光器最大的缺點(diǎn)在于其在高激光功率時(shí)光束質(zhì)量低下。現(xiàn)在的工業(yè)半導(dǎo)體激光器局限于少數(shù)幾種加工,諸如電鍍、銅焊和越來(lái)越多的高功率焊接。因此在未來(lái)數(shù)年,半導(dǎo)體激光器不太可能使整個(gè)材料加工領(lǐng)域發(fā)生革命性變化,并取代其它光源。隨著半導(dǎo)體激光器的不斷發(fā)展,未來(lái)我們也會(huì)將其應(yīng)用于切割等需要更高光束質(zhì)量的應(yīng)用。

  CO2激光器

  CO2激光器是現(xiàn)有的最高功率連續(xù)波激光器。和固體激光器相比,主要不同在于其波長(zhǎng)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(fā)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(xù)波模式或脈沖條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。在具有足夠的諧振腔長(zhǎng)度下,合適的激光設(shè)計(jì)能夠獲得極佳的光束質(zhì)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(chǎng)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(tǒng)和諧振腔形狀不同:流動(dòng)型二氧化碳激光器和擴(kuò)散冷卻型CO2激光器。依據(jù)技術(shù)的不同,CO2激光器或多或少需要消耗氣體,從而使得其運(yùn)營(yíng)成本要高于固體激光器。CO2激光器還有一個(gè)缺點(diǎn),其光束只能通過(guò)鏡面來(lái)反射傳導(dǎo)。這使得其應(yīng)用不那么靈活,特別是在切割或焊接等活動(dòng)應(yīng)用中?,F(xiàn)代擴(kuò)散冷卻型CO2激光器使用基于泵浦技術(shù)的晶體管,幾乎不需要進(jìn)行維護(hù)。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(chǎng),并在激光加工新用戶中頗受歡迎。

  激光打標(biāo)和超短脈沖激光器

  激光器有各種不同的運(yùn)轉(zhuǎn)模式,類型包括:“連續(xù)波”在數(shù)秒或數(shù)分鐘內(nèi)進(jìn)行不間斷的激光操作; “脈沖式”的持續(xù)時(shí)間為毫秒;“短脈沖”的持續(xù)時(shí)間為納秒;“超短脈沖”的持續(xù)時(shí)間為皮秒,飛秒或更短。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

  短脈沖激光打標(biāo),脈沖持續(xù)時(shí)間以納秒計(jì)算,其功率較低,能夠通過(guò)固體激光器以及二氧化碳激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)。中國(guó)是激光打標(biāo)的最大市場(chǎng),每年需要上萬(wàn) 臺(tái)激光器,以及大量的供應(yīng)商和技術(shù)。大多數(shù)激光打標(biāo)使用10μm(CO2激光器打標(biāo))或1μm(固體激光打標(biāo))波長(zhǎng)。在市場(chǎng)上我們會(huì)發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的綠光 (532 nm)和紫外(343 nm)激光器應(yīng)用于打標(biāo)和各種材料。依據(jù)激光打標(biāo)需求的不同,激光器需要高功率和高脈沖來(lái)保持脈沖穩(wěn)定。圓棒激光器的光束質(zhì)量通常要更好,峰值功率更高。 特別是在中國(guó),激光器能在高溫下工作是至關(guān)重要的。打標(biāo)應(yīng)用可以通過(guò)使用掃描來(lái)實(shí)現(xiàn);準(zhǔn)確性也是一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。值得一提的是,很多集成到工作臺(tái)上的系統(tǒng)是 由一位人工進(jìn)行操作,激光器的安全性(例如機(jī)械遮板)也需要考慮。(超)短脈沖激光器出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)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(xiàn)在市場(chǎng)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(shù)(平均功率、光束質(zhì)量和 光束穩(wěn)定性)以及激光微加工領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)而勝出。圓棒激光器也具有高平均功率,但是穩(wěn)定性稍差。光纖激光器被用于使用更低功率來(lái)實(shí)現(xiàn)皮秒激光器,或者更 高功率但是更長(zhǎng)脈沖持續(xù)時(shí)間,這在某些應(yīng)用上存在局限性。為了確定哪種產(chǎn)品滿足所查詢激光器應(yīng)用的個(gè)性化需求,通常需要進(jìn)行一些討論和試驗(yàn)。

  激光組件

  激光源通常不能單獨(dú)使用。激光束一般必須通過(guò)反射鏡或激光光纜進(jìn)行傳輸,也必須聚焦到工件上。只有一些供應(yīng)商提供“一站式解決方案”,同時(shí)供應(yīng) 激光源和激光組件。最糟糕的情況是,最終解決方案是通過(guò)使用不同供應(yīng)商的產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)的,從而會(huì)出現(xiàn)失敗的狀況。最重要的是:反射鏡、分束器、激光光纜、加 工光學(xué)器件、掃描器。

  激光器安全

  最后,在所有激光應(yīng)用中都必須考慮激光的安全性。通常工業(yè)激光器被分為4個(gè)等級(jí),4級(jí)為最高。

  CO2激光器的激光輻射波長(zhǎng)為10μm,固體激光器為1μm,肉眼不可見,對(duì)人有傷害。特別是固體激光器光束波長(zhǎng)1μm,風(fēng)險(xiǎn)極大。這一波長(zhǎng)通 過(guò)角膜進(jìn)入眼睛。和可見光一樣,激光聚焦于視網(wǎng)膜。通過(guò)眼球的晶狀體聚焦,激光光束將對(duì)視網(wǎng)膜造成超過(guò)其承受能力50000倍的損害。因此,在使用固態(tài)激 光器的時(shí)候需要特殊眼部安全防護(hù)措施—— 專門用于切割、焊接或打標(biāo)。相反,CO2激光器的激光束波長(zhǎng)為10μm,可以被角膜吸收。人們直接被激光束轟擊雖然很危險(xiǎn),但發(fā)生的幾率很低?;谶@些考 慮,激光器特別是在應(yīng)用固體激光器時(shí),必須配備全面的激光保護(hù)裝備。

  在中國(guó),越來(lái)越多的激光系統(tǒng)制造商遵循GB 18490-2001這一安全標(biāo)準(zhǔn),代表著國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11553:1996。在2014年3月的上海激光展上,中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)激光加工專委會(huì)主任王又良教授啟動(dòng)工業(yè)激光安全生產(chǎn)的倡議。中國(guó)領(lǐng)先的制造商們都紛 紛響應(yīng)這一倡議,簽署了提高其激光系統(tǒng)安全性的協(xié)議。這對(duì)于激光器市場(chǎng)和激光技術(shù)使用者來(lái)說(shuō)都是非常重要的一步。

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