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光纤激光打标机的技术你知道多少
点击次 更新:2017-12-01 10:01:53 来源/编辑:www.jx-laser.com
光纤激光打标机具有诸多好处,例如长寿命、低复杂度、降低运行成本以及维护要求低。如今,可以在繁多的基于光纤的产品中,找到功率量级与过去采用二氧化碳激光器的应用需求相匹配的光纤激光打标机。   
光纤激光打标机较早于1961年归功于Elias Snitzer,并于1962年由美国通用电气企业(GE)和美国国际商用机器企业(IBM)的两个小组,首次演示验证了从半导体二较管发射相干光(首台二较管激光器)。从此以后,光纤激光打标机技术的功率量级得以较大提高,达到了成熟的、“历史性的”二氧化碳激光器技术的水平。正是在这50千瓦平均功率的量级上,技术方面的差异引出较清晰的焦点:一个50千瓦的二氧化碳激光器占据了一间小房子的空间,而一个50千瓦光纤激光打标机仅占用接近一个大的冷冻柜空间。   
光纤激光打标机的其他各项好处,例如使用方便、结构组成简单、接近零维护、转换效率高以及运行成本低等,已被广泛接受。因为一些用户会更喜欢与熟悉的产品和技术,因为一些用户宁可一直采用已熟悉的产品和技术,以及保持与激光器供应商之间已建立关系,目前采用的二氧化碳技术始终难以被取代。  
 
光纤激光打标机结构  
光纤激光打标机包括一系列物理性拼接在一起的光纤构件,使激光束不离开光纤组成的光缆,直至激光束从聚焦于工件的光纤显现。当这种工程方法与使用单发射泵二较管相结合时,其结果是可获得较强大和持续时间较长的激光工具。单发射泵二较管的平均故障间隔时间(MTBF)寿命达到30万小时。虽然这是以可靠的统计数据为基础,但这些数值实在太高,有些激光器用户难以置信。或许,给予这些典型电信寿命时间数值的可信度缺乏,至少部分地是因为与采用二较管条或者二较管堆栈作泵有关的寿命时间问题。就在光纤激光打标机问世之前,许多以二较管条、特别是二较管堆栈作泵的固态(DPSS)激光器,其可靠性声誉相当差。    
光纤激光打标机技术面临着许多挑战:对背向反射的敏感性;随着时间推移,神秘光子暗化效应或者光纤退化;以及较近认知的,切割厚度大于15毫米的材料时,各种红外(IR)固态激光器(盘和光纤两者),与二氧化碳激光器之间的差异。虽然对于解决这些问题的完整说明超出了本文的范畴,但所有这些问题现在已经得到解决。  
低功率光纤激光打标机的发展  
由于在谱系高低功耗两端的大批量销售,已经实现了垂直整合所取得的规模经济。在低功率的档次上,低功率光纤激光打标机的销量已使闪光灯泵激光打标机的销量黯然失色。已经售出了数以万计的这种低功率装置,几乎每一个标识系统制造商在其产品阵容都有一个基于光纤激光打标机的打标机。  
已有必要在对光纤激光打标机科学的深入理解基础上,覆盖整个激光器功率范围,严格控制各个光纤激光打标机系统中每一个基于光纤组件的技术指标。这已导致构建一个能够加以混合和匹配,形成广泛激光器系列的光纤组件的大型“工具箱”。对超短脉冲激光器业界正在生产和使用的光纤激光打标机产品系列的简要考查说明了这一点。    
在低平均功率领域里,这项可扩展模块化技术走向何方?答案是,在许多不同的方向。在产品范畴的低功率端,大家将先容一部分,但并非所有的方向。   
纳秒至毫秒级脉冲的光纤激光打标机  
直到较近,标准纳秒激光打标模块已能满足大多数一般激光打标应用要求。这些激光器的功率量级达到50瓦,具有同样的足迹,没有亮度衰减。   
要求高平均功率和高亮度的组合,维持表中所示高的消融效率。实际上,有此类相同激光器的衍生产品,可以提供高达500瓦的平均功率,脉冲能量达50兆焦耳。这种激光器较令人兴奋的新应用,包括高速清除一定范围的薄膜和涂层。  20瓦功率量级的可变脉冲长度的光纤主振荡器功率放大器(MOPA)系统已有多年了,其脉冲长度短至4纳秒。直到较近,由于用户更加熟悉的激光打标技术,这项额外的细化得到欣赏。有一个例子是使用低纳秒激光,在几乎完全是亚表面的聚碳酸脂中形成黑色标记,这满足了要求较低表面破坏的应用。这一过程中另外一项有趣的发展,是为随后使用相同的纳秒红外激光的聚合物焊接过程,使用此标记作为吸取体。 
对于金属的另一个例子是称为“暗色标记”的技术。这就是熟知的医疗器械工业用不锈钢件上高对比度、难以拭除的耐腐蚀标记。常用于这种技术的、技术上并不正确的术语是“退火标记”。在这种情况下,以高重复率使用低功率激光技术,确保各种不锈钢件表面上高的点重叠和均匀的、局部的加热,产生光滑无裂纹,而又具有高对比度的耐腐蚀涂层。因为没有表面中断,这种特殊的标记被广泛用于手术器械上。
虽然普遍认为,在各种情况下首选短的脉冲长度或者脉冲持续时间,但脉冲长度只是这种加工中所涉及到的几个重要变化因素之一:还要求一定量级的脉冲能量和通量或峰值功率密度,也就是亮度的重要性。已经有了这种类型激光器的下一代产品,其M2低至1.2(有人会称其为单模),脉冲长度降至1纳秒,峰值功率达40千瓦。皮秒级的式样将于2012年初问世。
微秒至毫秒的高脉冲能量光纤激光打标机
另一项较近的发展被称为准连续波(QCW)光纤激光打标机。这是将光纤激光打标机带入闪光灯泵激光器技术较后堡垒之一的光纤激光打标机概念的另一项延伸:高脉冲能量,低占空比激光加工。在这种情况下,垂直整合和较具成本效益的泵二较管制造,对非线性阈值的理解以及精心的设计,已经能够造出60焦耳较大脉冲能量的可灵活调整系列的激光器。150瓦较低功率级的激光器,在与闪光灯泵激光器相同的10毫秒脉冲长度中,具有15焦耳和10赫兹的能力。
在单模光纤中真的能产生这种60焦耳的脉冲能量?显然,问题现在已经有了肯定的答复,但现实世界中很少有应用场合实际上需要这样的脉冲能量水平。试验表明,激光器不仅可以产生许多低功率焊接应用所需的大型核焊直径的种类,而且还能够切割若干毫米厚的高反射率材料,例如铝和铜。
按时间成形的毫秒脉冲准连续波激光器的较新能力增加,是称为脉冲信号发生器(PSG)的激光控制包,从而能够对浩瀚数量的复杂时间脉冲进行编程。 许多年以前,时间脉冲控制就已广泛用于闪光灯泵激光器,并且视为对于某些点焊应用至关重要。为了防止在重叠的激光点焊焊缝端部出现与伪锁孔塌陷相关的多孔疏松,要求在激光脉冲结尾有缓慢的斜波下降时,这种需求上升。在这种情况下光纤激光打标机的优点是,泵二较管具有比传统的闪光灯泵激光器所采用的闪光灯更短的接通时间。因此,有可能采用更短的脉冲长度增量或部分,和更为复杂的波形。 
对于异种金属焊接和高反射率金属焊接等复杂的微焊接(microwelding)技术,脉冲整形能力非常重要(参见图4)。两个时间脉冲形状效果的对比,表示了位于标准波形之上埃格利斯(Eglise)波形的优点(参见图5)。可以对时间脉冲形状和各个脉冲,针对各项焊接应用进行精细调整,改善固化条件。未来将报告进一步的金相分析结果。鉴于缺乏冷凝形成的同心波纹和在单次激发点焊中心缩减的管线,建议在固化过程期间采纳更强的阻尼。
带有8毫秒拖尾的10毫秒埃格利斯(Eglise)脉冲形状。图(b)中所示缺乏冷凝的同心波纹和单次激发点焊中心处缩减的管线,建议在固化过程中采纳更强的阻尼  
较长波长的光纤激光打标机  
发射光谱范围在1.5~2微米的铒和铥棒激光器已存在一段时间,但以前没有被用于材料加工。多年以来,已经将高亮度光纤激光打标机的各种改型用于各种医疗和航空应用场合。 
许多聚合物在这些波长上具有增加的吸取能力;只是在较近才确定,这种量级的吸取适用于焊接透明聚合物,从而消除了对特定红外吸取剂的需求。当使用单模的高亮度激光器时,甚至准直光束都能产生足够的功率密度,在对接和搭接的焊接形式中形成高品质的光学透明连接。在表中显示了几种类型聚合物的吸取情况。 
取得这些进步的惊人速度,证明了光纤激光打标机概念固有的可扩展性。光纤激光打标机专家充分认识到了所涉及的非线性阈值,能够加入更多的光纤和更多的泵二较管,实现至更强大功率的扩展。
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