光纤激光器
一、原理:光纤通常是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维,主要广泛应用于光纤通讯,其导光原理就是光的全内反射机理。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯、中间为低折射率硅玻璃包层和最外部的加强树脂涂层组成。
光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤:中心玻璃芯较细,只能传一种模式的光,其模间色散很小,具有自选模和限模的功能。多模光纤:中心玻璃芯较粗,可传多种模式的光,但其模间色散较大,传输的光不纯。
二、优点:光纤激光器具有体积小、能耗低、寿命长、稳定性高、免维护、多波段、绿色环保等特征,它以优越的光束质量、稳定的性能、超高的光电转换效率,赢得了众多激光业内人士的肯定。光纤激光器以其超高的可靠性,卓越的光束质量,低廉的运行成本,为激光加工行业建立了新的标准。
它增益介质长、耦合效率高、散热好、结构简单紧凑、使用灵活方便、输出激光光束质量好且输出波长范围宽。
1．高功率光纤激光器都是双包层光纤,泵浦光打到外包层上,能量被吸收,再部分转换为激光,因此包层的材料和结构对光纤激光器的影响很大,目前各国已研制出各种形状的光纤,有圆形的、D形的、矩形的、非稳腔形、梅花形、正方形、平面螺纹形等。
2．无需热电冷却器这种大功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作,只需简单的风冷,成本低。
3．很宽的泵浦波长范围高功率的光纤激光器内的活性包层光纤掺杂了铒/镱稀土元素,有一个宽且又平坦的光波吸收区,因此,泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置
4．效率高泵浦光多次横穿过单模光纤纤芯,因此其利用率高。
5．高可靠性,采用杈纤直接熔接耦合进行侧泵,一无需任何光学元件,二可避免损伤光纤端面,三是容易提高泵源的注入。新颖的蜈蚣式侧泵方式:光纤两侧生许多纤杈与LD尾纤直接熔接,从各个不同点进行单个泵浦,可避免强激光单点引起的非线性效应和模式恶化。
采用多个高功率LD单管代替LD集成阵列作泵浦源,一可提高光源的模式,二是易于泵源的散热提高寿命,三有利于维修更换。采用发光面很宽的LD作为泵源可大大降低LD发光点所承受的光功率密度提高其寿命,一般可达100,000小时。
应用:光纤激光器只消耗相当于1%的灯泵激光器所需电能,同时其效率是半导体泵固体激光器的两倍以上。
更高的效率、更长的使用寿命、更少的维护结合起来使得光纤激光器的拥有者的成本富有极强的吸引力。光纤激光器在那些要求近红外高光束质量的激光器应用中大有用武之地。他们会对小的聚焦光斑、高的功率密度有特殊的兴趣,如桌面式的生产。一束100W的激光输出光斑可以被聚焦到5um那么小,这相当于亮度是109W/cm2。
纤激光器应用范围非常广泛,包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻、激光打标、激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔、切割、焊接、光纤激光器可作为军用激光信标光源;在海军装备中,光纤激光器可用作对潜通讯、探测鱼雷、测量海深、水下传感及海基光控武器。军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等等。
缺点:价格比较高,通常仅限制在金属加工领域,而在非金属加工中不太可能有所作为。比如塑料、纸张或布料等材料。这些行业将继续由CO2激光器统治与传统激光切割机相比,光纤切割的优点它既可做平面切割,也可做斜角切割加工,且边缘整齐、平滑,适用于金属板、玻璃等高精度的切割加工。比起普通二氧化碳激光切割机更节省空间和气体消耗量,光电转化率高,是节能环保的新产品,也是世界上领先技术产品之一。
光纤激光切割机具有极高的电光转换效率,其电光转换效率达25%,比传统激光切割机的电光转换效率高出数倍,而综合运行费用却仅为传统激光切割机的15%。同时,光纤激光切割机体积较小,其激光发生器的占地面积不到1平方米,整体占地面积约50平方米,为传统激光切割机的三分之二。
二、YAG激光器
1． 原理:YAG激光器是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体激光器。钇铝石榴石的化学式是Y3Al5O15,简称为YAG。和其他固体激光器一样,YAG激光器基本组成部分是激光工作物质、泵浦源和谐振腔。
不过由于晶体中所掺杂的激活离子种类不同,泵浦源及泵浦方式不同,所采用的谐振腔的结构不同,以及采用的其他功能性结构器件不同,YAG激光器又可分为多种,例如按输出波形可分为连续波YAG激光器、重频YAG激光器和脉冲激光器等;按工作波长分为1．06μmYAG激光器、倍频YAG激光器、拉曼频移YAG激光器和可调谐YAG激光器等;按掺杂不同可分为Nd:YAG激光器、掺Ho、Tm、Er等的YAG激光器;以晶体的形状不同分为棒形和板条形YAG激光器;根据输出功率不同,可分为高功率和中小功率YAG激光器等。
固体激光切割机将波长为1064nm的脉冲激光束经过扩束、反射、聚焦后,辐射加热材料表面,表面热量通过热传导向内部扩散,由数字化精确控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数,瞬间使材料熔融汽化蒸发,从而通过数控系统实现预定轨迹的切割、焊接、打孔。
2． 特点:该机光束质量好、具有高效率、低成本、稳定、安全、更精密、可靠性高,集切割、焊接、打孔等多功能为一体,是理想的精密高效柔性加工设备。
加工速度快,效率高,经济效益好,直边割缝小,切割面光滑,可获得大的深径比和深宽比热变形极小,可在硬、脆、软等各种材料上进行加工不存在刀具磨损、替换问题,无机械变容易实现自动化,可在特殊条件下实现加工泵浦效率高,可达20%左右随着效率的提高,激光介质的热负荷下降,因此大大改善光束质量寿命长,可靠性高、体积小,重量轻,适于小型化应用。
3． 应用:适用于金属材料的激光切割、焊接、打孔:如碳钢、不锈钢、合金钢、铝及合金、铜及合金、钛及合金、镍钼合金等材料。广泛应用于航空、航天、兵器、舰船、石化、医疗、仪表、微电子、汽车等行业。不仅使加工质量得到提高,而且提高了工作效率;除此之外,YAG激光器还可以为科学研究提供一种精确而快捷的研究手段。
相比于其他的激光器
1．YAG激光器能以脉冲和连续两种方式工作,其脉冲输出可通过调Q和锁模技术获得短脉冲及超短脉冲,从而使其加工范围比CO2激光更大
2．它输出的波长为1．06um,恰好比CO2激光波长10．06um小一个数量级,因而使其与金属的偶合效率高、加工性能良好
3．YAG激光器结构紧凑、重量轻、使用简便可靠、维修要求较低。
4．YAG激光器能与光纤耦合,借助时间分割和功率分割多路系统能方便地将一束激光传输给多个工位或远程距离工位,便于激光加工实现柔性化。
所以,在激光器的选择上,要考虑到各种参数,以及自身的实际需要,只有这样,才能让激光器发挥出它的最大效能。
