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光纖激光器
一、原理:光纖通常是以SiO2為基質(zhì)材料拉成的玻璃實(shí)體纖維,主要廣泛應(yīng)用于光纖通訊,其導(dǎo)光原理就是光的全內(nèi)反射機(jī)理。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯、中間為低折射率硅玻璃包層和外部的加強(qiáng)樹(shù)脂涂層組成。
光纖可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖:中心玻璃芯較細(xì),只能傳一種模式的光,其模間色散很小,具有自選模和限模的功能。多模光纖:中心玻璃芯較粗,可傳多種模式的光,但其模間色散較大,傳輸?shù)墓獠患儭?/p>
二、優(yōu)點(diǎn):光纖激光器具有體積小、能耗低、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高、免維護(hù)、多波段、綠色環(huán)保等特征,它以?xún)?yōu)越的光束質(zhì)量、穩(wěn)定的性能、高的光電轉(zhuǎn)換效率,贏(yíng)得了眾多激光業(yè)內(nèi)人士的肯定。光纖激光器以其高的可靠性,好的光束質(zhì)量,低廉的運(yùn)行成本,為激光加工行業(yè)建立了新的標(biāo)準(zhǔn)。
它增益介質(zhì)長(zhǎng)、耦合效率高、散熱好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、使用靈活方便、輸出激光光束質(zhì)量好且輸出波長(zhǎng)范圍寬。
1．高功率光纖激光器都是雙包層光纖,泵浦光打到外包層上,能量被吸收,再部分轉(zhuǎn)換為激光,因此包層的材料和結(jié)構(gòu)對(duì)光纖激光器的影響很大,目前各國(guó)已研制出各種形狀的光纖,有圓形的、D形的、矩形的、非穩(wěn)腔形、梅花形、正方形、平面螺紋形等。
2．無(wú)需熱電冷卻器這種大功率的寬面多模二極管可在很高的溫度下工作,只需簡(jiǎn)單的風(fēng)冷,成本低。
3．很寬的泵浦波長(zhǎng)范圍高功率的光纖激光器內(nèi)的活性包層光纖摻雜了鉺/鐿稀土元素,有一個(gè)寬且又平坦的光波吸收區(qū),因此,泵浦二極管不需任何類(lèi)型的波長(zhǎng)穩(wěn)定裝置。
4．效率高泵浦光多次橫穿過(guò)單模光纖纖芯,因此其利用率高。
5．高可靠性,采用杈纖直接熔接耦合進(jìn)行側(cè)泵,一無(wú)需任何光學(xué)元件,二可避免損傷光纖端面,三是容易提高泵源的注入。新穎的蜈蚣式側(cè)泵方式:光纖兩側(cè)生許多纖杈與LD尾纖直接熔接,從各個(gè)不同點(diǎn)進(jìn)行單個(gè)泵浦,可避免強(qiáng)激光單點(diǎn)引起的非線(xiàn)性效應(yīng)和模式惡化。
采用多個(gè)高功率LD單管代替LD集成陣列作泵浦源,一可提高光源的模式,二是易于泵源的散熱提高壽命,三有利于維修更換。采用發(fā)光面很寬的LD作為泵源可大大降低LD發(fā)光點(diǎn)所承受的光功率密度提高其壽命,一般可達(dá)100,000小時(shí)。
應(yīng)用:光纖激光器只消耗相當(dāng)于1%的燈泵激光器所需電能,同時(shí)其效率是半導(dǎo)體泵固體激光器的兩倍以上。
更高的效率、更長(zhǎng)的使用壽命、更少的維護(hù)結(jié)合起來(lái)使得光纖激光器的擁有者的成本富有強(qiáng)的吸引力。
光纖激光器在那些要求近紅外高光束質(zhì)量的激光器應(yīng)用中大有用武之地。他們會(huì)對(duì)小的聚焦光斑、高的功率密度有特殊的興趣,如桌面式的生產(chǎn)。一束100W的激光輸出光斑可以被聚焦到5um那么小,這相當(dāng)于亮度是109W/cm2。
光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛,包括激光光纖通訊、激光空間遠(yuǎn)距通訊、工業(yè)造船、汽車(chē)制造、激光雕刻、激光打標(biāo)、激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔、切割、焊接、光纖激光器可作為軍用激光信標(biāo)光源;在海軍裝備中,光纖激光器可用作對(duì)潛通訊、探測(cè)魚(yú)雷、測(cè)量海深、水下傳感及海基光控武器。軍事國(guó)防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)等等。
缺點(diǎn):價(jià)格比較高,通常僅限制在金屬加工領(lǐng)域,而在非金屬加工中不太可能有所作為。比如塑料、紙張或布料等材料。這些行業(yè)將繼續(xù)由CO2激光器統(tǒng)治與傳統(tǒng)激光切割機(jī)相比,光纖切割的優(yōu)點(diǎn)它既可做平面切割,也可做斜角切割加工,且邊緣整齊、平滑,適用于金屬板、玻璃等高精度的切割加工。比起普通二氧化碳激光切割機(jī)更節(jié)省空間和氣體消耗量,光電轉(zhuǎn)化率高,是節(jié)能環(huán)保的新產(chǎn)品
光纖激光切割機(jī)具有高的電光轉(zhuǎn)換效率,其電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)25%,比傳統(tǒng)激光切割機(jī)的電光轉(zhuǎn)換效率高出數(shù)倍,而綜合運(yùn)行費(fèi)用卻僅為傳統(tǒng)激光切割機(jī)的15%。同時(shí),光纖激光切割機(jī)體積較小,其激光發(fā)生器的占地面積不到1平方米,整體占地面積約50平方米,為傳統(tǒng)激光切割機(jī)的三分之二。
二、YAG激光器
1． 原理:YAG激光器是以釔鋁石榴石晶體為基質(zhì)的一種固體激光器。釔鋁石榴石的化學(xué)式是Y3Al5O15,簡(jiǎn)稱(chēng)為YAG。和其他固體激光器一樣,YAG激光器基本組成部分是激光工作物質(zhì)、泵浦源和諧振腔。
不過(guò)由于晶體中所摻雜的激活離子種類(lèi)不同,泵浦源及泵浦方式不同,所采用的諧振腔的結(jié)構(gòu)不同,以及采用的其他功能性結(jié)構(gòu)器件不同,YAG激光器又可分為多種,例如按輸出波形可分為連續(xù)波YAG激光器、重頻YAG激光器和脈沖激光器等;按工作波長(zhǎng)分為1．06μmYAG激光器、倍頻YAG激光器、拉曼頻移YAG激光器和可調(diào)諧YAG激光器等;按摻雜不同可分為Nd:YAG激光器、摻Ho、Tm、Er等的YAG激光器;以晶體的形狀不同分為棒形和板條形YAG激光器;根據(jù)輸出功率不同,可分為高功率和中小功率YAG激光器等。
固體激光切割機(jī)將波長(zhǎng)為1064nm的脈沖激光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束、反射、聚焦后,輻射加熱材料表面,表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散,由數(shù)字化準(zhǔn)確控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù),瞬間使材料熔融汽化蒸發(fā),從而通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定軌跡的切割、焊接、打孔。
2． 特點(diǎn):該機(jī)光束質(zhì)量好、具有高效率、低成本、穩(wěn)定、安全、更精密、可靠性高,集切割、焊接、打孔等多功能為一體,是理想的精密柔性加工設(shè)備。
加工速度快,效率高,經(jīng)濟(jì)效益好,直邊割縫小,切割面光滑,可獲得大的深徑比和深寬比熱變形極小,可在硬、脆、軟等各種材料上進(jìn)行加工不存在刀具磨損、替換問(wèn)題,無(wú)機(jī)械變?nèi)菀讓?shí)現(xiàn)自動(dòng)化,可在特殊條件下實(shí)現(xiàn)加工泵浦效率高,可達(dá)20%左右隨著效率的提高,激光介質(zhì)的熱負(fù)荷下降,因此大大改善光束質(zhì)量壽命長(zhǎng),可靠性高、體積小,重量輕,適于小型化應(yīng)用。
3． 應(yīng)用:適用于金屬材料的激光切割、焊接、打孔:如碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鋁及合金、銅及合金、鈦及合金、鎳鉬合金等材料。廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、艦船、石化、醫(yī)療、儀表、微電子、汽車(chē)等行業(yè)。不僅使加工質(zhì)量得到提高,而且提高了工作效率;除此之外,YAG激光器還可以為科學(xué)研究提供一種準(zhǔn)確而快捷的研究手段。
相比于其他的激光器
1．YAG激光器能以脈沖和連續(xù)兩種方式工作,其脈沖輸出可通過(guò)調(diào)Q和鎖模技術(shù)獲得短脈沖及超短脈沖,從而使其加工范圍比CO2激光更大
2．它輸出的波長(zhǎng)為1．06um,恰好比CO2激光波長(zhǎng)10．06um小一個(gè)數(shù)量級(jí),因而使其與金屬的偶合效率高、加工性能良好
3．YAG激光器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、使用簡(jiǎn)便可靠、維修要求較低。
4．YAG激光器能與光纖耦合,借助時(shí)間分割和功率分割多路系統(tǒng)能方便地將一束激光傳輸給多個(gè)工位或遠(yuǎn)程距離工位,便于激光加工實(shí)現(xiàn)柔性化。
所以,在激光器的選擇上,要考慮到各種參數(shù),以及自身的實(shí)際需要,只有這樣,才能讓激光器發(fā)揮出它的效能。
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