光纖激光器的設計及應用

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《Amada》

電梯直達

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發表于 2009-7-29 19:45:35 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

過去，光纖激光器廣泛應用于電信產業領域，可使高質量單模低功率系統的平均無故障時間達到約25年，確保只要通信技術安裝之后，就可以一勞永逸，根本不用為其擔心了。隨著上世紀90年代末電信市場的崩潰，光纖激光器制造商已將工作重心轉向滿足工業制造、軍事、醫療以及航天領域的需求。從電信向其他產業的這一轉變需要相應的高低功率激光技術，重點要滿足一定的操作和性能目標，從而占據價值數十億激光材料處理市場的一部分份額。目前市場上銷售的各種光纖激光器技術種類之多令人吃驚，可滿足各種工業應用的需求。功率級小于200W的低功率單模系統正在微處理標記和醫療應用中得到越來越多的采用，同時該技術也在向高功率級方向快速發展，不會損壞光纖。此外，其還為激光材料處理應用開辟了新的天地。

      各廠商均推出了光纖激光器系統和元件。GSI推出的商業產品系列的輸出功率高達200W，明年可達2千瓦，而IPG的產品輸出功率則小于10kW。IMRA、Spectra- Physics Inc、Synchronous Inc及Optigain Inc等制造商主要經營低功率和短脈沖領域。顯然，單模光纖激光器已率先占據了其它低功率激光器技術的一部分市場份額，與現有的CO2和燈泵浦Nd:YAG技術競爭。本文將重點討論高功率光纖激光器技術的近期發展，并探討現有相關技術標準將為當今對技術不斷提出更高要求的制造產業帶來何種新機遇。

      光纖激光器設計
      高功率光纖激光器小巧可靠，在光束質量和功率轉換效率（大約20％）方面優于燈泵浦Nd:YAG激光。光纖激光器含有一個長光纖激光器腔（約12米），沿整個長度方向分配泵浦能量。高效率可以減少熱管理問題，而余熱可以沿整條光纖消散。大部分摻稀土硅光纖激光器都是由輸出分別約為1550nm與1060nm的Er或Yb摻質物組成。與1550nm輸出相比，1060nm輸出時可實現更高的效率。橫電磁模分布由纖芯的導波特性控制。寬度為數十微米的窄光纖可以實現單模操作，而更高的纖芯直徑可以產生更高階模式。
      在設計穩定、可靠的光纖激光器系統過程中，一系列其他基于光纖的元件可以構建單片式“全光纖”激光腔。其他文獻已經廣泛探討了全光纖設計的優勢，其中兩個主要優勢是無光學對準和外露光學表面。這些功能元件中最主要的是泵浦合束器和布拉格光柵反射器。圖1是我們設計的此類光纖激光器腔的示意圖。輸出光纖采用直徑低于10微米的單模纖芯，其可以確保高質量光束輸出。此架構旨在能夠在水冷散熱片構造中產生高達500W輸出功率，并且達到10萬小時二極管整體使用壽命，同時能夠在室內空氣溫度達到35℃情況下采用強制空氣冷卻產生高達120W輸出功率，并且可靠性與二極管相當。
      光纖激光器系統的性能與可靠性取決于泵浦激光二極管。過去十年來，能夠在900～980nm波長范圍內產生數瓦輸出功率的多模二極管泵浦源已經實現商用。有些泵浦源具有極高的可靠性，其正常工作條件下的平均無故障時間已經超過50萬小時。結合適當冗余性，MTBF超過10萬小時的此類泵浦源都能夠用于構建輸出功率達到數百瓦的光纖激光器。

      應用于顯微機械加工
      對于需要優異模質量和高聚焦性能來實現小形體尺寸的顯微機械加工工藝，這些新型激光器能夠實現商業應用。多年來，脈沖Nd:YAG激光一直是金屬精密切割、精細焊接和鉆孔的首選。在1微米波長附近，與同等二氧化碳激光器相比，其聚焦光學鏡更小，更簡單，而且可以實現更小的光點尺寸。超精密顯微機械加工對更高效、小巧、高光束質量激光器的需求推動了光纖激光器開發工作的快速增長。這些激光器在IR光譜區附近工作，與傳統激光相比具有多種優勢，而且在實現新的顯微機械加工應用方面具有更大潛力。
      醫療行業是激光微切割最重要的應用領域之一，光纖激光正在逐步替代脈沖燈泵Nd:YAG激光。由于以下兩個基本原因，醫療設備一般很小：一是它們通常需要安裝到狹小區域；二是其制作材料昂貴，減少尺寸也就是降低成本。能夠在僅有幾微米區域工作的激光器是精巧、昂貴設備的理想解決方案。醫療設備行業對微切割需求最強烈的應用可能是支架切割。支架是一種永久插入動脈的纖細、格狀金屬管。其有助于擴張動脈，疏通血流。這種插入到患病冠狀動脈中的圓柱形金屬支架，能使血液恢復充分流通。支架所用材料包括316L不銹鋼或鎳鈦合金（形狀記憶合金）。管的典型直徑為1～10毫米，壁厚約100微米。關鍵是切口寬度要小（20～30微米），這就要求光纖激光器需提供較高的光束質量與激光功率穩定性。激光切割必須具有較高的表面質量，較小的熱影響區域，而且無殘渣。圖2是經過切割與超聲波清洗器清洗后的典型支架SEM顯微圖。利用100W光纖激光器可以實現超高輪廓精度（<5微米）的無殘渣切割（寬度為20微米）。采用單模激光輸出以及氮氣輔助氣體，切割厚度為0.5毫米的316L不銹鋼的典型速度大約為5米／分鐘。圖3是氧氣和氮氣之間的不銹鋼切割速度對比圖。相關切割數據來自GSI 100W單模光纖激光器。
      光纖激光器也是SMT模板制作的理想選擇。可以在厚度為250～500微米的不銹鋼中制作各種形狀的精密輪廓。

      除了適用于黑色金屬和非金屬薄片，光纖激光器在切割厚的多晶硅（硅片）方面也頗具優勢。多晶硅材料非常脆，在激光切割過程中極易破裂。迄今，脈沖燈泵Nd:YAG已經成功用于切割此類材料。最初采用單模100W光纖激光器在GSI上進行的切割實驗在切割速度、切割邊角質量和細裂紋（長度約10～15微米）方面取得了非常令人振奮的成果。這和采用脈沖Nd:YAG激光源十分接近，只是因為條紋比Nd:YAG激光器差幾個數量級，從而在邊緣質量方面僅稍遜一些。

      應用于微焊接
      由于單模光纖激光器具有高光束質量，因此在焊接黑色金屬和有色金屬材料薄片時可以實現很高的焊接速度。采用GSI單模光纖激光器已經證明能夠實現鈦及不銹鋼的薄片、高縱橫比焊接以及小孔焊接。低功率單模光纖激光器可用于各種材料的點焊、傳導焊接以及小孔焊接，這些材料包括低碳鋼、Inconel、鍍鋅鋼、鋁合金、銅合金、不銹鋼以及鈦合金等。
      利用CW光纖激光器只能焊接最大厚度為1毫米的不銹鋼，而利用配置高功率、增強型控制以及復雜脈沖成形設備的高精度、低平均功率Nd:YAG激光器可以提高眾多材料的微焊接靈活性。利用脈沖（脈沖成形）中時間能量變化的正確成形，可以實現各種材料的高質量焊接，其中包括鋁合金、銅合金以及異金屬材料等高反射比材料。
      由于具有很高的光束質量和小光點直徑，單模光纖激光器非常適合微切割。但是由于目前其脈沖能量和峰值功率較低，而且脈沖寬度很窄，因此此類激光并非微焊接應用的首選。

      應用于宏觀機械加工
      當前，各種用戶仍然在對高功率光纖激光進行評估，其主要應用包括汽車、航空航天以及造船等行業。在汽車行業，光纖激光用于白車身焊接、激光拼焊板以及液壓成形切割等。與傳統的燈泵浦Nd:YAG激光相比，光纖激光因具備優異的光束質量而可用于汽車行業的遠距離焊接。
      顯然，此類激光能夠實現極高的焊接速度以及深度穿透力。但是，解決利用小光點直徑和高光束質量焊接厚板材時存在的問題仍然有待進一步改進，如：部件裝配，更重要的是深度穿透小孔產生的激光誘導等離子體／異質物。此類等離子／異質物會妨礙焊透深度，造成熔池中心蒸汽填充小孔的不穩定性，從而造成粗孔隙，對于厚度超過4毫米的材料尤其如此。