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光纖激光器
一、原理:光纖通常是以SiO2為基質(zhì)材料拉成的玻璃實體纖維,主要廣泛應(yīng)用于光纖通訊,其導光原理就是光的全內(nèi)反射機理。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樹脂涂層組成。
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,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:光纖激光器具有體積小、能耗低、壽命長、穩(wěn)定性高、免維護、多波段、綠色環(huán)保等特征,它以優(yōu)越的光束質(zhì)量、穩(wěn)定的性能、高的光電轉(zhuǎn)換效率,贏得了眾多激光業(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,低廉的運行成本,為激光加工行業(yè)建立了新的標準。
它增益介質(zhì)長、耦合效率高、散熱好、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、使用靈活方便、輸出激光光束質(zhì)量好且輸出波長范圍寬。
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)對光纖激光器的影響很大,目前各國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,只需簡單的風冷,成本低。
3．很寬的泵浦波長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,有一個寬且又平坦的光波吸收區(qū),因此,泵浦二極管不需任何類型的波長穩(wěn)定裝置。
4．效率高泵浦光多次橫穿過單模光纖纖芯,因此其利用率高。
5．高可靠性,采用杈纖直接熔接耦合進行側(cè)泵,一無需任何光學元件,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,從各個不同點進行單個泵浦,可避免強激光單點引起的非線性效應(yīng)和模式惡化。
采用多個高功率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)光點所承受的光功率密度提高其壽命,一般可達100,000小時。
應(yīng)用:光纖激光器只消耗相當于1%的燈泵激光器所需電能,同時其效率是半導體泵固體激光器的兩倍以上。
更高的效率、更長的使用壽命、更少的維護結(jié)合起來使得光纖激光器的擁有者的成本富有強的吸引力。
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。他們會對小的聚焦光斑、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、激光空間遠距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻、激光打標、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光源;在海軍裝備中,光纖激光器可用作對潛通訊、探測魚雷、測量海深、水下傳感及海基光控武器。軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)等等。
缺點:價格比較高,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)激光切割機相比,光纖切割的優(yōu)點它既可做平面切割,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
光纖激光切割機具有高的電光轉(zhuǎn)換效率,其電光轉(zhuǎn)換效率達25%,比傳統(tǒng)激光切割機的電光轉(zhuǎn)換效率高出數(shù)倍,而綜合運行費用卻僅為傳統(tǒng)激光切割機的15%。同時,光纖激光切割機體積較小,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。釔鋁石榴石的化學式是Y3Al5O15,簡稱為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。
不過由于晶體中所摻雜的激活離子種類不同,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。
固體激光切割機將波長為1064nm的脈沖激光束經(jīng)過擴束、反射、聚焦后,輻射加熱材料表面,表面熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散,由數(shù)字化準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),從而通過數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)定軌跡的切割、焊接、打孔。
2． 特點:該機光束質(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、軟等各種材料上進行加工不存在刀具磨損、替換問題,無機械變?nèi)菀讓崿F(xiàn)自動化,可在特殊條件下實現(xiàn)加工泵浦效率高,可達20%左右隨著效率的提高,激光介質(zhì)的熱負荷下降,因此大大改善光束質(zhì)量壽命長,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研究提供一種準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．它輸出的波長為1．06um,恰好比CO2激光波長10．06um小一個數(shù)量級,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、使用簡便可靠、維修要求較低。
4．YAG激光器能與光纖耦合,借助時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工位或遠程距離工位,便于激光加工實現(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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