半導體泵浦圓盤激光器將YAG激光器推向新時代
什么原因使圓盤形狀如此理想?圓盤激光技術是怎樣突破棒狀激光器光束質(zhì)量和固有的光纖長度限制的?回答了這些問題,人們就會理解:圓盤激光器是怎樣將YAG激光技術推向一個新時代的。
在談到半導體泵浦圓盤激光器的時候,許多產(chǎn)品和處理方法都隱含在“圓盤”一詞之中。它們的獨特形狀和解決棒狀激光器存在的光束質(zhì)量和傳輸問題的能力,使圓盤激光器成了最具有創(chuàng)新意義的選擇。除了改善電效率、光束質(zhì)量、焦距、離散和光斑大小等性能之外,用半導體泵浦圓盤激光器進行材料加工時,還有許多明顯的優(yōu)點。
圓盤特征
從半導體泵浦圓盤激光器得到的較高光束質(zhì)量(與燈泵和半導體泵浦棒狀激光器相比)主要與激光介質(zhì)的散熱能力有關。YAG棒(直徑約6毫米,長度150毫米)通常用水通過棒的外圍,進行循環(huán)冷卻。這樣做的結果是:棒的外圍相對較冷,而棒的中心部位仍然很熱,中心線的溫度最高。這個溫度差會在棒中引起熱梯度和熱畸變,從而限制了棒狀YAG激光器的光束質(zhì)量。相比起來,圓盤(直徑約14毫米,厚0.2毫米)裝在水冷的銅塊(熱沉)上面, 同時,它還作為一個腔鏡。 因為圓盤的面是裝在熱沉上的,圓盤又很薄(面積與激光受激體積之比很高),因此冷卻效率很高,所產(chǎn)生的熱梯度,可以忽略。另外,與棒狀激光器一樣,圓盤激光器也可以用串聯(lián)的方法耦合在一起,以增加它的輸出功率。
除了光束質(zhì)量好很多之外, 與棒狀激光器相比,圓盤激光器還有另一個重要的優(yōu)點:圓盤激光器允許采用較長的光纖來傳輸光束。盡管要從物理上完全解釋這一現(xiàn)象比較復?但我們可從以下幾個方面作一些簡單的說明。首先,背反射(從工件或從光纖端面產(chǎn)生的)可以返回到激光諧振腔中。這個背反射光可用來進一步泵浦激光材料(棒或圓盤),泵浦量與YAG材料的體積有關。在一個摻鐿:YAG(Yb:YAG)的圓盤中,激光材料的體積,比棒狀Nd:YAG激光材料的體積(約為4240mm3)小得多。棒的背反射泵浦可能引起極高的峰值功率。這樣的峰值功率可能會破壞內(nèi)部光學元件和光纖電纜。背反射量是光纖長度、光纖芯徑和激光功率的函數(shù)(光纖越長、纖芯越小、功率越高,產(chǎn)生的背反射就越大)。對圓盤激光器來說,因為它的YAG體積小, 背反射能量產(chǎn)生的激射可以忽略,因此光纖長度不再受這種現(xiàn)象限制。
圓盤激光器(半導體泵浦棒狀激光器也是如此)最后的一個優(yōu)點是很值得注意的:泵浦圓盤的光能來自半導體激光器。這與燈(如弧光燈)泵激光器相比,優(yōu)點特別突出。它們之間的差別是:半導體激光器產(chǎn)生很狹的波長范圍(幾乎全部光能都對激光有用),而燈的波長范圍非常寬,大部分對激光的產(chǎn)生無用,反而產(chǎn)生沒有用的熱能。這是使圓盤激光器的總電光效率大于15%的基本原因,典型燈泵激光器的總電光效率僅為3%到4%(而半導體泵浦棒狀激光器的總電光效率約為10%)。
光束質(zhì)量方面的優(yōu)勢
在談及光束聚焦能力和激光在工件上的功率密度時,光束質(zhì)量問題就變得十分重要了。但是,光束必須首先被聚焦到光纖中,在確定傳輸光束的光纖大小時,光束質(zhì)量是最重要的因素。光束質(zhì)量, 有時也稱“光束參數(shù)積”,或BPP,是光束半徑和光束半發(fā)散角的積,用毫米-毫弧度表達。 對將光束聚焦進光纖而言,光束半徑是指聚焦光束在光纖入口處的半徑,而光束半發(fā)散角則等于耦合光束的半角。為了產(chǎn)生較穩(wěn)定的激光裝置,在光纖入口處的聚焦光斑必須小于光纖芯徑, 要小到可以用即插即用的方式更換光纖(在現(xiàn)場更換光纜,而無需進行任何調(diào)節(jié)的能力)。
纖芯直徑(φc)與在工件上的聚焦光斑(d)有直接關系,因此與也功率密度有關,這種關系可用下式表示:
d =φc (f/fc)
其中,f是聚焦光學系統(tǒng)的焦距,fc是準直光學系統(tǒng)的焦距。
因此,纖芯直徑越小,聚焦光斑的直徑也越小。但是,光有聚焦成小光斑的能力是不夠的。還要考慮功率密度問題。功率密度(Pd)是指:單位聚焦光斑面積的激光功率(P)(面積=πd2/4)
Pd =4 P /πd2
所以,當將半導體泵浦圓盤激光器(Trumpf型號HLD 4002, 在工件上的功率高達4千瓦, 直徑光纖為200μm)與燈泵棒狀激光器(Trumpf 模型 HL 4006,在工件上的功率高達4千瓦, 直徑光纖為600μm)進行光斑大小和功率密度比較時,光束質(zhì)量的優(yōu)越性,就可通過所產(chǎn)生的功率密度或焦距清楚地看出。
較高的功率密度可用來產(chǎn)生高速、較狹的焊縫,或者通過采用長焦距透鏡,產(chǎn)生低速、較寬的焊縫。與短焦距透鏡相比,采用長焦距透鏡的好處是:它使加工光學元件能遠離焊接煙霧和濺污, 而且產(chǎn)生了大得多的聚焦深度(或較大的加工窗口)。
對焊接應用來說,最有意義的聚焦深度關系(景深)是所謂的5%定義。 5%聚焦深度(L5%)定義為這樣的一個范圍,在這個范圍內(nèi),光斑大小變化不超過5%。換句話說,如果“在焦點”的光斑為0.1毫米, 聚焦深度為5%的話,則光斑大小不會大于0.105毫米。L5%依賴于聚焦光斑大小(d)、輸出光束質(zhì)量(BQexit)和激光波長(λ,燈泵YAG為 1064nm,半導體泵浦圓盤激光器為1030nm),它們之間的關系可用下式表示:
L5% = d2/(6λBQexit)
因此,任何激光器的光束質(zhì)量可直接說明它的聚焦能力,及光斑大小、焦距和聚焦深度等相關參數(shù)。
遠距離焊接
幾年來,在CO2激光器領域中,焊接零件的獨特概念一直在發(fā)展。這種焊接過程(它以遠距離焊接聞名于世)僅在增加功率并具有很好的光束質(zhì)量(如Trumpf TLF 6000 HQ,6千瓦激光器,近高斯分布)時,才有可能實現(xiàn)。由于圓盤激光器的光束質(zhì)量很好,遠距離焊接也可以用YAG激光器實現(xiàn)。
不像CO2激光器遠距離焊接系統(tǒng)那樣,需采用具有飛行光學元件的桶架式結構來傳送光束, YAG遠距離焊接可利用纖維光學的光束傳送能力,將光耦合到裝在機械手上的掃描頭上。在CO2和YAG遠距離焊接之間有許多差別,在評估任何遠距離焊接系統(tǒng)時,這些差別應該考慮。它們也為進一步研究和分析提供了線索。
圓盤激光器的極好光束質(zhì)量允許光束通過更小直徑的光纜傳送,因此,在給定的焦距,可產(chǎn)生更小的聚焦光斑直徑(用于快速加工的功率密度更高), 或者,對給定的聚焦光斑大小,可產(chǎn)生更大的加工景深(更大的加工窗口,更穩(wěn)定和更遠的焊接能力。
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