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光纤激光器的分析

时间: 2020-03-03 作者:激光超市 来源:激光超市 阅读: 190 次

激光器的原理

激光器由泵浦源、具有亚稳态能级的增益介质、谐振腔等元件组成。以半导体泵浦光纤激光器为例,激光器产生激光的具体过程可以详细拆分为以下五步:

第一步,导入泵浦光,半导体激光器作为激光器泵浦源发射具有一定线宽的泵浦光,通过合束器后进入光纤;

第二步,导入泵浦光,半导体激光器作为激光器泵浦源发射具有一定线宽的泵浦光,通过合束器后进入光纤;

第三步,自发辐射形成光子,亚稳定状态粒子自发向下跃迁释放能量,产生方向和相位各异的光子;

第四步,受激辐射实现光放大,沿轴线运动的光子可以在反射镜(光栅)之间来回往复运动(非沿轴线光子很快逸出),而光子每次遇到增益介质的高能(亚稳态)粒子时都能令增益介质粒子释放能量产生同质光子,从而达到光放大效果;

第五步,激光输出,达到一定要求后实现连续或者脉冲形式的激光输出。

激光器的分类

激光器较为常见的分类有四种,即按增益介质、输出功率、工作方式和脉冲宽度区分。

►按照增益介质:激光器的增益介质包括气体、液体和固体,特定增益介质决定了激光波长、输出功率和应用领域。气体中具有代表性的是CO2气体激光器,固体中具有代表性的包括红宝石激光器、半导体激光器、光纤激光器和YAG 激光器等。

►按照输出功率:可以分为小功率(0-100W)、中功率(100-1KW)、高功率(1KW 以上);但有时也将100-1.5KW 范围内定义为中功率。不同功率的激光器适应的应用场景不同。

►按工作方式:可分为连续激光器和脉冲激光器。连续激光器可以在较长一段时间内连续输出,工作稳定、热效应高。脉冲激光器以脉冲形式输出,主要特点是峰值功率高、热效应小;根据脉冲时间长度,脉冲激光器可进一步分为毫秒、微秒、纳秒、皮秒和飞秒,一般而言,脉冲时间越短,单一脉冲能量越高、脉冲宽度越窄、加工精度越高。

►按输出波长:可分为红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等。不同结构的物质可吸收的光波长范围不同,例如金属对近红外光吸收率较高。

光纤激光器用于材料加工优势突出

光纤激光器推动激光加工方式朝广度和深度发展。在传统领域,大功率激光器促进激光设备对航空航天、交通运输等高端装备在切割、焊接、打标等环节的渗透。在新兴领域,光纤激光器拓宽了激光加工深度,形成增量市场,主要包括在消费电子、光伏、锂电池、半导体等领域的精密加工。

从技术角度来看,光纤激光器相比其他激光器优势突出。光纤激光器用于加工的技术优势体现在:1)光束质量好,容易达到大功率。2)光纤表面积大,散热好。3)光路完全封闭,稳定性较好,寿命长且维护较少。4)体积小,可实现柔性传输。5)波长在700nm-2000nm的范围内,在材料加工领域具有适用性更广。

从成本角度来看,光纤激光器性价比优势极高,以CO2激光器作为对比:

1)光纤激光器由于光束质量高,材料吸收率高,所以加工速度更快,以薄板切割为例,光纤激光切割速度可达到同等功率CO2激光切割的2-3倍;

2)光纤激光器的电光转化率高达30%以上,工作耗电低,而CO2激光的光路完全依靠反射镜传播,光路衰减快,能量损失较多,电光转化率在10%以下;

3)光纤激光器结构简单稳定,外光路免维护,平均无故障时间超过10万小时,基本无耗材。CO2激光系统结构复杂,反射镜和谐振腔需定期维护,涡轮机轴承更换费用昂贵,维护成本高。

取市场上的千瓦级工业激光器的主要性能参数对比,相对于其他激光器,光纤激光器具有输出激光光束质量好、能量密度高、电光效率高、使用方便、可加工材料范围广、综合运行成本低等技术性能和经济性能等方面的优势,因此广泛应用于雕刻/打标、切割/钻孔、熔覆/焊接、表面处理、快速成形等材料加工和光通信等领域,被誉为“第三代激光”,具有广阔的应用前景。

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