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MFC:连载《激光,一种工具》之二:用于材料加工的光源

信息来源:jjjlll.com  时间:2019-01-02  浏览次数:73

激光的产生之初,科学家们就开始把它用于不同的材料、不同的行业中,希望让它的神奇特点带来广泛的应用。1971 年第一台商用 1kW CO2 激光器问世后,激光材料加工和表面改性获得了迅速的实用性发展。如今,激光对于材料的加工有切割、焊接、激光精细加工、激光打标、激光表面处理和激光增材制造等。在介绍这些应用之前,让我们先来了解一下激光技术的基本原理和用于材料加工的各种光源。

激光技术基本原理

对于这种神奇的光,科学家们在刚刚发现它的时候并不确定该给它一个什么样的名字,讨论之后他们决定按照它的产生原理来命名—LASER。根据激光(LASER)的产生原理,它主要由三个基本结构:激光泵浦源、增益介质和谐振腔构成。

图1 世界上第一台激光器结构图

图2 中国第一台红宝石激光器

1、激光泵浦源

激光的产生是能量转换的过程,必然要遵循能量守恒定律。产生激光必然有能量的来源,也就是我们首先要说的激光泵浦源。泵浦源的种类非常多,这取决于我们后面将要介绍的增益介质和光学结构的设计。目前使用的泵浦源主要有高频电源、闪光灯以及半导体激光模块等。CO2 激光主要用高频电源来泵浦, 而对于传统的棒状激光器,由于谐振腔的设计依然采用闪光灯泵浦,新型的光纤以及碟片激光器则多采用半导体激光模块泵浦。相对于闪光灯泵浦,半导体模块具有吸收效率高,使用寿命长等一系列优点。

图3 使用寿命长的半导体模块

2、激光增益介质

许多材料都可以作为激光的增益介质,它们可以是气体、固体、甚至液体。基本原则是:当这些材料受到激发,然后从激发态降落到低能态时,必须辐射出光。准确地说,是某种特定波长的电磁辐射。

图4 各种各样的固体增益介质

增益介质不断被激发到比激光上层能级还高的能级。在这之后,原子或者分子通过一系列复杂的过程回到基态。激光可以是二能级,三能级或者四能级系统,这取决于在产生激光的过程中有多少个能级参与其中。增益介质中的各个能级和跃迁可以用能级图进行描述。如下图:

图5 三能级激光系统(红宝石)和四能级激光系统(Nd:YAG)

粒子数反转是激光增益介质中处于上能级的原子或分子的数目超过处于下层能级的原子或分子的数目的情况。在这种情况下,光子去撞击一个处于激发态的原子或者分子并使它辐射激光的可能性要大于被原子或者分子吸收的可能性。这样的结果使激光束被放大。如果是另外一种情况,下层能级上的原子或分子数目比上层能级的多,那么这个光子更可能去撞击一个未处于激发态的原子或者分子从而被它吸收掉。激光束因此而变弱。粒子数反转是产生激光的必要条件。与此同时,增益介质必须是一种可以实现粒子数反转的材料。为了实现粒子数反转,增益材料需要有寿命足够长的上层能级。原子或者分子在自发衰减到下层能级之前,要尽量长时间地停留在这个能级上。这里的“长”时间是指万分之一秒。

3、谐振腔

光子从增益介质产生之后运动的方向是随机的,如图六所示,如果不加限制产生的光子就是普通的光,无法生成高能激光束进行材料的加工。因此,聪明的科学家们将振荡的设计应用到了激光设计之中。

图6 随机辐射(左)和激光产生(右)

不同光学的谐振腔设计是不同的,有只有两面镜片构成的简单腔,也有由数十面镜片构成的复杂谐振腔。主要的目的是用来产生高质量高能量的激光输出。同时利用谐振腔的设计,可以获得单模、多模模式的激光输出,实现不同的应用。

4、激光参数

对于激光工作者来说激光能量、功率以及功率密度或者强度是非常熟悉的术语。它们经常出现在加工描述、技术表或者是光源产品说明书中。除此之外,什么样的光束才算是好的激光束呢?

激光束的方向性很好,但是光波并不是完全平行的。激光束有一个”束腰”,从它开始激光束是发散的。激光束腰直径(光束最窄的部分)和发散角决定了激光发散的路径。束腰小且发散度低的光束可以聚焦成相对小的光斑,同时保持较长的焦深。这样在透镜和工件之间有一个相对大的距离(焦深)—这恰好是激光使用者和制造商所需要的。当他们提到光束质量,其实就是谈激光束的发散特性和聚焦性能。较小的发散角意味着较高的光束质量。只有基模可能实现尽可能小的发散,并且与波长也相关。

图7 光束质量参数

为了表示一个特定的光束质量,专家们采用了光束参数乘积或者 M2 因子(质量因子)来描述。这两种计量都得到了认证。光束参数乘积,简称 BPP,定义为两个最重要且容易测量的参数的乘积:束腰半径和 1/2 发散角。需要的说明是:光束参数乘积越小,光束质量越好。M2 因子描述了光束参数乘积偏离理想基模光的程度。M2 的值总是大于等于 1。当该值为 1 时,光束就像理想光束一样传播。M2 和光束参数乘积是可以相互转换的。

各种各样的激光器

1、应用决定着激光器类型

如今,市场上有许多不同种类的激光器和激光系统。问题在于如何针对具体应用,选择最合适的激光技术,以提供最好的解决方案。事实上,没有哪种激光技术可以覆盖所有的需求,即便未来的发展也不能改变这个事实:选择使用哪种激光器是由具体应用来决定的。这归结于对于给定的任务,利用什么样的激光器能得到最好的结果。如今中国的激光器市场上有固体激光器,半导体激光器和 CO2激光器——它们都或多或少适合于不同的应用,以不同的方式满足主要的购买标准。

图8 各种激光器应用领域对比

2、CO2激光器

由于其可靠性以及耐久性,数以万计的 CO2激光器在全球范围内被广泛使用。其中绝大部分用于切割和焊接。CO2激光器的波长为 10.6 ?m,处在远红外波谱。它具有以下优点:功率范围宽(10 W-20,000 W);光束质量好(M2从 1.1 到 5.0);

图9 1980年代的CO2激光器和快轴流激光腔

CO2 激光增益介质是氦气,氮气和 CO2的混合物。氦气和氮气是辅助气体,它们辅助 CO2分子产生激光。气体混合物中,高压直流或者高频交流激励气体放电,导致CO2分子从基态跃迁到激光上能级。随后 CO2分子转移到激光下能级,辐射出波长为 10.6 ?m 的激光。这个过程中释放出热量,惰性气体氦原子通过撞击 CO2分子吸热和散热,使得激光下能级的粒子数加速下降,提高稳定性。

3、固体激光器

固体激光器在 20 世纪 70 年代就较大规模地应用于工业生产,非常适用于精密机械加工。它们最早用于焊接机械表中精致的弹簧或者珠宝钻孔。最初的设计采用圆柱或者是块状结构,但是热透镜影响比较明显。为了提高固体激光器的输出功率和光束质量,研究人员设计了各种增益介质的几何形状。其中主要的两种方案是用光纤和碟片取代圆棒结构。

图10 光纤和碟片的结构设计

光纤激光器和碟片激光器都采用半导体激光器作为泵浦源,都可以产生数万瓦的激光功率和优异的光束质量。在工业激光材料加工中扮演着越来越重要的角色。由于碟片激光器的特殊结构设计,更高功率密度的短与超短脉冲激光器也在精细激光加工应用领域发挥着重要的作用。

图11 光纤和碟片的实际结构图

4、直接半导体激光器

半导体激光器是非常紧凑以及光束质量稳定的光源。半导体既是增益介质也是谐振腔。半导体激光器没有任何可以移动的部分,因此很难出现偏差。它的光电转换效率高达 65%,远高于其他的光源。另外一个优点是电流和功率有着直接的关系。即使电流阈值很低时,设备也可以发出激光。半导体激光能够快速地产生脉冲,产生太赫兹甚至更高的光信号。这使得半导体激光器在信息技术的应用中很受欢迎。

随着半导体激光功率扩展方法的不断出现,半导体激光器作为固体激光器的泵浦源以及直接应用于材料加工正变得越来越重要。

介绍完激光的基本原理和主要工业激光器之后,下一章我们将为您介绍如何把光转变成锋利的工具。(转自 通快)

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