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新型工业激光器

星之球科技来源:华工激光2012-01-06我要评论(0)

工业激光器主要是指用于加工的激光器,它的发展是激光加工技术发展的前提条件。90年代前,CO 2 激光器和YAG激光器占工业激光器的96%以上,进入90年代,这两类激光器的发...

工业激光器主要是指用于加工的激光器,它的发展是激光加工技术发展的前提条件。90年代前,CO 2 激光器和YAG激光器占工业激光器的96%以上,进入90年代,这两类激光器的发展主要表现在功率和光束质量的提高两个方面。CO 2 激光器的功率整整提高了一个量级,但是,真正用于生产加工的CO 2 激光器功率,切割一般不超过3kW,焊接在10kW左右。为提高光束质量,快速轴流CO 2 (准基模输出)激光器发展很快,主要用于切割和深穿透焊。对于YAG激光器,商品器件的功率由500W提高到1000W。采用激光谐振腔内加压缩发散角装置,使激光光束发散角减至5 mrad以下,提高了聚焦功率密度,强化了加工能力。

近几年下述几种激光器输出功率和工作稳定性方面均有突破性进展,使激光加工技术跃上一个新的台阶。

(一)YAG激光器
1.板条(Slab)Nd:YAG激光器

该激光器从结构上克服了激光棒的热变形(热透镜效应),故有功率大(达2kW以上)、光束发散角小(接近衍射极限)的高质量激光输出,提高了加工能力,可进行超深加工,如钻孔深达76mm,切割厚度达40mm。

2.激光二极管(LD-Laser Diode)泵浦的Nd:YAG激光器 该激光器是用与YAG光谱吸收带吻合的激光二极管泵浦Nd:YAG,大大减少了非吸收带光能转化的热量,其主要特点是电光转换效率高(高达 20%~40%),能直接获得紫外波长的激光,从而为大功率、小型化、低能耗(工作电压也低)、热负荷小和长寿命稳定工作创造了条件。由于其波长位于紫外波段,光束质量好,可进行多种优质加工,四五年内有望成为主要的激光加工器件。图6给出LD泵浦的Nd:YAG激光器的两种激励形式:(a)为端面激励;(b)为侧面激励,其输出功率达2kW,频率2.5kHz。

(二)准分子(Excimer)激光器
所谓准分子是在激发态下结合为分子,基态离解为原子的不稳定缔合物。用作激光工作介质的准分子有KrF,XeCl,AeF等气态物质。其发出的激光属紫外波段,激光器基本结构与CO 2 气体激光器相同。紫外波段的准分子激光加工机理比较复杂,通常的解释是依靠“激光消融”(Laser Ablation)来蚀除材料。即由于紫外光子能量比材料分子原子间的连接键能量大,材料吸收后(吸收率很高),破坏了原有的键连接而形成微小的碎片,当破坏达到一定程序后,碎片材料就自行剥落。每个脉冲可去除亚微米深的材料,如此逐层蚀除材料,达到加工目的。

激光消融是建立在光化学作用的基础上进行的,与其他激光(热)加工相比,它是在非放热方式下进行的,故又称为“激光冷加工”。准分子激光具有波长短(190~350mm),频率高(达5kHz),效率高(达4%),光束质量好(发散角0.3mrad ,波长线宽1pm以下),工作寿命长,光束截面大等优点,是很有潜力的工业激光器。

目前商品化的器件功率在200W左右,世界上功率最大的是日本三菱电机公司1994年研制成功的XeCl激光器,放电管长3m,束截面为80mm×40mm。

(三)CO激光器
CO激光波长是CO 2 激光波长的一半,因此,光束的聚焦性和材料的吸收性都优于 CO 2 激光。例如3kW的CO激光的切割能力同5kW的CO 2 激光一样。目前最大CO激光达20kW。

(四)铜蒸气激光器
铜蒸气激光是有望用于微细加工的一种激光器。它可作为倍频YAG激光的取代器件。其波长为511~578nm的可见光,光脉宽20~60ns,重复频率2~32kHz,目前器件有实用价值的输出功率为10~120W,750W的器件也正在研究中。 总之,激光器技术的发展,大大促进了激光加工技术的发展,它不仅给已有的加工方法带来了生机,而且也开辟了新的加工领域。

激光加工是制造技术家庭中最具活力的一个新成员,它以能力强、速度快、附加效益高等特点,活跃在各个领域。但对于每一项新开发的激光加工方法,能否最终转换为生产力,还取决于是否有加工设备、工艺技术及测试监控技术等与之配套。这些方面近期也有很大发展,主要体现在多坐标数控化设备的研究;实现高速传输光束的研究;工艺、控制及检测智能化的研究等。我所作为高能束加工国防科技重点实验室,在进行科研生产的同时,密切关注激光领域先进技术的研究方向,跟踪世界激光加工的发展,适时补充或调整实验室研究项目,为发展激光加工业作出贡献,为我国国防建设服务。

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