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激光器类型有哪些 激光器哪种好

2015.09.25 1001 字号
  激光切割机的激光器有哪些?激光器哪种好?如今有很多不同的激光技术和系统可供选择,问题通常在于哪种技术能为其提供最佳解决方案。没有一种激光技术能满足所有需求,未来的技术发展也不会改变这一点:选择使用哪种激光是特定的。其实质上是哪种激光最适用于某一既定任务。现今中国激光市场上的固体激光器、半导体激光器和CO2激光器,所有这些激光器适用于各种不同的应用,以不同方式满足主要的购买准则。

  固体激光器

  固体激光器使用增益介质来产生激光光束,通常是钕或掺镱掺钕钇铝石榴石晶体(YAG=掺钕钇铝石榴石)。现在工业激光器的主要类型是碟片激光器、光纤激光器和圆棒激光器。

  连续波激光器可提供高功率的动力,而脉冲激光器则产生极短的高能脉冲,对工件产生的热量降至最小。

  YAG激光器发射的光束波长约为1μm,这处于近红外光谱带。因此,玻璃光学元件和光缆可以用于光束传输。光缆可以在耗能较少的情况下进行超远距离光束传输,从而可以在各种不同地点使用YAG激光器。激光光束聚焦于光缆,并在离开光纤时重新排列,从而再次并行。

  由于光束传输的灵活性,以及易于集成到其它系统,固体激光器应用于如切割、焊接或电镀等3D制造加工。尽管在未来二氧化碳激光器的需求将增大,但固体激光器也将越来越多地替代CO2激光器,甚至是在如2D切割等传统二氧化碳激光器加工领域。

  碟片激光器

  碟片激光器的核心是厚度通常不超过0.1mm的小型Yb:YAG薄片。第一台工业碟片激光器于十年前引进。碟片激光器整合了两种光束源的优点:半导体激光器的高效性和碟片激光器的高光束质量。现今碟片激光器代表着高功率激光器的工业标准,如在汽车或钣金加工行业。碟片激光器的设计极为简单:在活动碟片和输出镜之间产生激光功率。德国TRUMPF等供应商提供功率高于16kW以及每个碟片功率高达6kW的激光器。除了高功率应用外,碟片激光器具备超高光束质量和稳定性,这也是超短脉冲激光器的基础。

  碟片的模块化设计形成极强的坚固性以及针对回反光的不灵敏性。碟片激光器是所谓的“低放大率谐振器”。谐振腔内只有极少部分的激光功率会被输出镜所去耦合。因此返回到谐振腔内的背射激光功率就不会对整个系统产生影响,这是相对于其它高功率激光器的一个优势。

  当前的产品使用长寿命泵浦模块,高转换效率和近乎零耗材(只需要水循环),其运营成本低。碟片激光器是一种光电机械系统,因此易于保养维护。和圆棒激光器类似,激光光束能够简单地实现多路输出,而不需要损耗功率或借助外部分束器。

  光纤激光器

  在光纤激光器中,活跃的增益介质是掺杂了如铒、镱、钕、铥等稀有金属的光纤,从而可以产生不同的波长。将整个谐振器整合在一个光纤中的理念很简单,但是这一“多合一设计”的实现却极具挑战。所需的所有零部件,如端面镜或输出镜、隔离器等都被焊接在一起。一台光纤激光器是一个复杂系统,具有数百个这样的连接,即接头。由于这一整体式设计,其可服务性变得有限,实际应用中的一个失误就只能通过更换激光组件或整个光纤激光器来解决。

  和其他固体激光器相反,光纤激光器具有一个“高放大谐振腔”,意味着谐振腔中大部分功率都将通过输出镜。因此,回散光功率将对谐振腔系统产生高应力,而由于光纤直径小,这会将光纤内的功率密度增加到一个危险程度。

  现在光纤激光器已经极为常见,也成为如激光打标等低功率脉冲应用以及切割或焊接等高功率应用的一个标准技术。和碟片激光器或半导体激光器一样,光纤激光器的运营成本低。

  圆棒激光器、灯管或二极管泵浦

  圆棒激光器过去是固体激光器的主要组成部分,甚至是灯或二极管泵浦的高功率连续激光器。现今这一技术通常用于低功率脉冲操作,如焊接或打标,以及作为超短脉冲激光器的基础。其增益介质通常是Nd:YAG晶体,谐振腔由两块反射镜组成。这一机械设计使其易于维修。

  圆棒激光器的主要缺点在于对圆棒的高温影响将降低光束的质量。其功率转换效率要比碟片、光纤或半导体激光器技术低得多。但是圆棒激光器仍是点焊或高质量打标等脉冲应用的上好选择。

  半导体或二极管激光器

  半导体激光器也是固态形式,但是通常被认为是和固体激光器不同的类。如果仅按照已出售激光器数量来排列所有光源,半导体激光器将位居榜首,人们可以在数百万日用消费品中见到它们的身影,从CD/DVD驱动,激光打印机以及激光指示棒到超市条码扫描器和挡光板。半导体激光器广泛应用于信息技术和通信技术,测量技术等。二极管激光器是极其紧凑和稳定的光源,其机械设计也易于维护。半导体既充当活性介质也是谐振腔。半导体激光器没有任何活动部件,因此不会出现方向偏离。其效率要高于其它任何光源。另外一个好处在于电流与电源直接连接,即使在低阈值电流时激光器也发光。

  半导体激光器最大的缺点在于其在高激光功率时光束质量低下。现在的工业半导体激光器局限于少数几种加工,诸如电镀、铜焊和越来越多的高功率焊接。因此在未来数年,半导体激光器不太可能使整个材料加工领域发生革命性变化,并取代其它光源。随着半导体激光器的不断发展,未来我们也会将其应用于切割等需要更高光束质量的应用。

  CO2激光器

  CO2激光器是现有的最高功率连续波激光器。和固体激光器相比,主要不同在于其波长在9.4至10.6μm,由于其在金属和非金属材料中不同的激光吸收率而发挥着重要作用。

  CO2激光器的功率范围涵盖从小于10瓦到大于20,000瓦,而且可以在连续波模式或脉冲条件下运转。在具有足够的谐振腔长度下,合适的激光设计能够获得极佳的光束质量。其效能处于圆棒激光器和碟片或光纤激光器之间。目前市场上主要有两种CO2激光器概念,它们都是高频泵浦,但冷却系统和谐振腔形状不同:流动型二氧化碳激光器和扩散冷却型CO2激光器。依据技术的不同,CO2激光器或多或少需要消耗气体,从而使得其运营成本要高于固体激光器。CO2激光器还有一个缺点,其光束只能通过镜面来反射传导。这使得其应用不那么灵活,特别是在切割或焊接等活动应用中。现代扩散冷却型CO2激光器使用基于泵浦技术的晶体管,几乎不需要进行维护。激光器制造商们期望二氧化碳激光器能够立足于中低功率市场,并在激光加工新用户中颇受欢迎。