哪種激光器能為工業(yè)提供Z佳解決方案？

　　如今有很多不同的激光技術(shù)和系統(tǒng)可供選擇，問題通常在于哪種技術(shù)能為其提供*解決方案。沒有一種激光技術(shù)能滿足所有需求，未來的技術(shù)發(fā)展也不會改變這一點：選擇使用哪種激光是特定的。其實質(zhì)上是哪種激光zui適用于某一既定任務(wù)。現(xiàn)今中國激光市場上的固體激光器、半導(dǎo)體激光器和CO2激光器，所有這些激光器適用于各種不同的應(yīng)用，以不同方式滿足主要的購買準(zhǔn)則。
　　
　　固體激光器
　　
　　固體激光器使用增益介質(zhì)來產(chǎn)生激光光束，通常是釹或摻鐿摻釹釔鋁石榴石晶體（YAG=摻釹釔鋁石榴石）。現(xiàn)在工業(yè)激光器的主要類型是碟片激光器、光纖激光器和圓棒激光器。
　　
　　連續(xù)波激光器可提供高功率的動力，而脈沖激光器則產(chǎn)生極短的高能脈沖，對工件產(chǎn)生的熱量降至zui小。
　　
　　YAG激光器發(fā)射的光束波長約為1μm，這處于近紅外光譜帶。因此，玻璃光學(xué)元件和光纜可以用于光束傳輸。光纜可以在耗能較少的情況下進(jìn)行超遠(yuǎn)距離光束傳輸，從而可以在各種不同地點使用YAG激光器。激光光束聚焦于光纜，并在離開光纖時重新排列，從而再次并行。
　　
　　由于光束傳輸?shù)撵`活性，以及易于集成到其它系統(tǒng)，固體激光器應(yīng)用于如切割、焊接或電鍍等3D制造加工。盡管在未來二氧化碳激光器的需求將增大，但固體激光器也將越來越多地替代CO2激光器，甚至是在如2D切割等傳統(tǒng)二氧化碳激光器加工領(lǐng)域。
　　
　　碟片激光器
　　
　　碟片激光器的核心是厚度通常不超過0.1mm的小型Yb:YAG薄片。*臺工業(yè)碟片激光器于十年前引進(jìn)。碟片激光器整合了兩種光束源的優(yōu)點：半導(dǎo)體激光器的性和碟片激光器的高光束質(zhì)量。現(xiàn)今碟片激光器代表著高功率激光器的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如在汽車或鈑金加工行業(yè)。碟片激光器的設(shè)計極為簡單：在活動碟片和輸出鏡之間產(chǎn)生激光功率。德國TRUMPF等供應(yīng)商提供功率高于16kW以及每個碟片功率高達(dá)6kW的激光器。除了高功率應(yīng)用外，碟片激光器具備超高光束質(zhì)量和穩(wěn)定性，這也是超短脈沖激光器的基礎(chǔ)。
　　
　　碟片的模塊化設(shè)計形成*的堅固性以及針對回反光的不靈敏性。碟片激光器是所謂的“低放大率諧振器”。諧振腔內(nèi)只有極少部分的激光功率會被輸出鏡所去耦合。因此返回到諧振腔內(nèi)的背射激光功率就不會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響，這是相對于其它高功率激光器的一個優(yōu)勢。
　　
　　當(dāng)前的產(chǎn)品使用長壽命泵浦模塊，高轉(zhuǎn)換效率和近乎*（只需要水循環(huán)），其運營成本低。碟片激光器是一種光電機(jī)械系統(tǒng)，因此易于保養(yǎng)維護(hù)。和圓棒激光器類似，激光光束能夠簡單地實現(xiàn)多路輸出，而不需要損耗功率或借助外部分束器。
　　
　　光纖激光器
　　
　　在光纖激光器中，活躍的增益介質(zhì)是摻雜了如鉺、鐿、釹、銩等稀有金屬的光纖，從而可以產(chǎn)生不同的波長。將整個諧振器整合在一個光纖中的理念很簡單，但是這一“多合一設(shè)計”的實現(xiàn)卻挑戰(zhàn)。所需的所有零部件，如端面鏡或輸出鏡、隔離器等都被焊接在一起。一臺光纖激光器是一個復(fù)雜系統(tǒng)，具有數(shù)百個這樣的連接，即接頭。由于這一整體式設(shè)計，其可服務(wù)性變得有限，實際應(yīng)用中的一個失誤就只能通過更換激光組件或整個光纖激光器來解決。
　　
　　和其他固體激光器相反，光纖激光器具有一個“高放大諧振腔”，意味著諧振腔中大部分功率都將通過輸出鏡。因此，回散光功率將對諧振腔系統(tǒng)產(chǎn)生高應(yīng)力，而由于光纖直徑小，這會將光纖內(nèi)的功率密度增加到一個危險程度。
　　
　　現(xiàn)在光纖激光器已經(jīng)極為常見，也成為如激光打標(biāo)等低功率脈沖應(yīng)用以及切割或焊接等高功率應(yīng)用的一個標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。和碟片激光器或半導(dǎo)體激光器一樣，光纖激光器的運營成本低。
　　
　　圓棒激光器、燈管或二極管泵浦
　　
　　圓棒激光器過去是固體激光器的主要組成部分，甚至是燈或二極管泵浦的高功率連續(xù)激光器。現(xiàn)今這一技術(shù)通常用于低功率脈沖操作，如焊接或打標(biāo)，以及作為超短脈沖激光器的基礎(chǔ)。其增益介質(zhì)通常是Nd：YAG晶體，諧振腔由兩塊反射鏡組成。這一機(jī)械設(shè)計使其易于維修。
　　
　　圓棒激光器的主要缺點在于對圓棒的高溫影響將降低光束的質(zhì)量。其功率轉(zhuǎn)換效率要比碟片、光纖或半導(dǎo)體激光器技術(shù)低得多。但是圓棒激光器仍是點焊或高質(zhì)量打標(biāo)等脈沖應(yīng)用的上好選擇。
　　
　　半導(dǎo)體或二極管激光器
　　
　　半導(dǎo)體激光器也是固態(tài)形式，但是通常被認(rèn)為是和固體激光器不同的類。如果僅按照已出售激光器數(shù)量來排列所有光源，半導(dǎo)體激光器將位居，人們可以在數(shù)百萬日用消費品中見到它們的身影，從CD/DVD驅(qū)動，激光打印機(jī)以及激光指示棒到超市條碼掃描器和擋光板。半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)和通信技術(shù)，測量技術(shù)等。二極管激光器是極其緊湊和穩(wěn)定的光源，其機(jī)械設(shè)計也易于維護(hù)。半導(dǎo)體既充當(dāng)活性介質(zhì)也是諧振腔。半導(dǎo)體激光器沒有任何活動部件，因此不會出現(xiàn)方向偏離。其效率要高于其它任何光源。另外一個好處在于電流與電源直接連接，即使在低閾值電流時激光器也發(fā)光。
　　
　　半導(dǎo)體激光器zui大的缺點在于其在高激光功率時光束質(zhì)量低下。現(xiàn)在的工業(yè)半導(dǎo)體激光器局限于少數(shù)幾種加工，諸如電鍍、銅焊和越來越多的高功率焊接。因此在未來數(shù)年，半導(dǎo)體激光器不太可能使整個材料加工領(lǐng)域發(fā)生革命性變化，并取代其它光源。隨著半導(dǎo)體激光器的不斷發(fā)展，未來我們也會將其應(yīng)用于切割等需要更高光束質(zhì)量的應(yīng)用。
　　
　　CO2激光器
　　
　　CO2激光器是現(xiàn)有的zui高功率連續(xù)波激光器。和固體激光器相比，主要不同在于其波長在9.4至10.6μm，由于其在金屬和非金屬材料中不同的激光吸收率而發(fā)揮著重要作用。
　　
　　CO2激光器的功率范圍涵蓋從小于10瓦到大于20,000瓦，而且可以在連續(xù)波模式或脈沖條件下運轉(zhuǎn)。在具有足夠的諧振腔長度下，合適的激光設(shè)計能夠獲得的光束質(zhì)量。其效能處于圓棒激光器和碟片或光纖激光器之間。目前市場上主要有兩種CO2激光器概念，它們都是高頻泵浦，但冷卻系統(tǒng)和諧振腔形狀不同：流動型二氧化碳激光器和擴(kuò)散冷卻型CO2激光器。依據(jù)技術(shù)的不同，CO2激光器或多或少需要消耗氣體，從而使得其運營成本要高于固體激光器。CO2激光器還有一個缺點，其光束只能通過鏡面來反射傳導(dǎo)。這使得其應(yīng)用不那么靈活，特別是在切割或焊接等活動應(yīng)用中。現(xiàn)代擴(kuò)散冷卻型CO2激光器使用基于泵浦技術(shù)的晶體管，幾乎不需要進(jìn)行維護(hù)。激光器制造商們期望二氧化碳激光器能夠立足于中低功率市場，并在激光加工新用戶中頗受歡迎。
　　
　　激光打標(biāo)和超短脈沖激光器
　　
　　激光器有各種不同的運轉(zhuǎn)模式，類型包括：“連續(xù)波”在數(shù)秒或數(shù)分鐘內(nèi)進(jìn)行不間斷的激光操作；“脈沖式”的持續(xù)時間為毫秒；“短脈沖”的持續(xù)時間為納秒；“超短脈沖”的持續(xù)時間為皮秒，飛秒或更短。
　　
　　短脈沖激光打標(biāo)，脈沖持續(xù)時間以納秒計算，其功率較低，能夠通過固體激光器以及二氧化碳激光器來實現(xiàn)。中國是激光打標(biāo)的zui大市場，每年需要上萬臺激光器，以及大量的供應(yīng)商和技術(shù)。大多數(shù)激光打標(biāo)使用10μm（CO2激光器打標(biāo)）或1μm（固體激光打標(biāo)）波長。在市場上我們會發(fā)現(xiàn)越來越多的綠光（532nm）和紫外（343nm）激光器應(yīng)用于打標(biāo)和各種材料。依據(jù)激光打標(biāo)需求的不同，激光器需要高功率和高脈沖來保持脈沖穩(wěn)定。圓棒激光器的光束質(zhì)量通常要更好，峰值功率更高。特別是在中國，激光器能在高溫下工作是至關(guān)重要的。打標(biāo)應(yīng)用可以通過使用掃描來實現(xiàn)；準(zhǔn)確性也是一個重要標(biāo)準(zhǔn)。值得一提的是，很多集成到工作臺上的系統(tǒng)是由一位人工進(jìn)行操作，激光器的安全性（例如機(jī)械遮板）也需要考慮。（超）短脈沖激光器出現(xiàn)的時間相對較晚，主要用于不同材料的激光加工，特別是玻璃、陶瓷或印制電路板。基于碟片、光纖或圓棒固體激光器的不同，現(xiàn)在市場上有很多不同類型的超短脈沖激光器。碟片激光器因其的激光參數(shù)（平均功率、光束質(zhì)量和光束穩(wěn)定性）以及激光微加工領(lǐng)域的技術(shù)而勝出。圓棒激光器也具有高平均功率，但是穩(wěn)定性稍差。光纖激光器被用于使用更低功率來實現(xiàn)皮秒激光器，或者更高功率但是更長脈沖持續(xù)時間，這在某些應(yīng)用上存在局限性。為了確定哪種產(chǎn)品滿足所查詢激光器應(yīng)用的個性化需求，通常需要進(jìn)行一些討論和試驗。
　　
　　激光組件
　　
　　激光源通常不能單獨使用。激光束一般必須通過反射鏡或激光光纜進(jìn)行傳輸，也必須聚焦到工件上。只有一些供應(yīng)商提供“一站式解決方案”，同時供應(yīng)激光源和激光組件。zui糟糕的情況是，zui終解決方案是通過使用不同供應(yīng)商的產(chǎn)品來實現(xiàn)的，從而會出現(xiàn)失敗的狀況。zui重要的是：反射鏡、分束器、激光光纜、加工光學(xué)器件、掃描器。
　　
　　激光器安全
　　
　　zui后，在所有激光應(yīng)用中都必須考慮激光的安全性。通常工業(yè)激光器被分為4個等級，4級為zui高。
　　
　　CO2激光器的激光輻射波長為10μm，固體激光器為1μm，肉眼不可見，對人有傷害。特別是固體激光器光束波長1μm，風(fēng)險極大。這一波長通過角膜進(jìn)入眼睛。和可見光一樣，激光聚焦于視網(wǎng)膜。通過眼球的晶狀體聚焦，激光光束將對視網(wǎng)膜造成超過其承受能力50000倍的損害。因此，在使用固態(tài)激光器的時候需要特殊眼部安全防護(hù)措施——專門用于切割、焊接或打標(biāo)。相反，CO2激光器的激光束波長為10μm，可以被角膜吸收。人們直接被激光束轟擊雖然很危險，但發(fā)生的幾率很低。基于這些考慮，激光器特別是在應(yīng)用固體激光器時，必須配備全面的激光保護(hù)裝備。