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分析激光制造系统发展

2017/11/21

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  用于制造业中的激光系统即激光制造系统,一般由激光器、激光传输系统、激光聚焦系统、控制系统、运动系统、传感与检测系统组成,其核心为激光器。

  激光作为热源或光源(能量)是激光制造中的“刀具”或“工具”。该“刀具”或“工具”的质量直接影响着加工制造的结果。激光光束质量的好坏可以采用光束远场发散角、光束聚焦特征参数值Kf和衍射极限倍因子M2(M)或光束传输因子K值来表示。对小功率激光器,工作物质均匀稳定,一般可以实现基模输出,其光束横截面能量分布为高斯分布,且在传输过程中保持不变,光束质量较好;对于大功率激光器,一般不易得到基模输出,输出的往往为多模激光束,激光光束质量变差(如图1)。目前工业上常用的大功率激光器有CO2激光器和YAG激光器两种。大功率激光器的工业应用领域很广,激光切割、激光焊接都需要优良的光束质量,而追求高光束质量的大功率激光是工业用激光器不断发展的目标。
  从1964年第一台CO2激光器出现到现在,经过近四十年的发展,从封离式CO2激光器、慢速轴流CO2激光器、横流CO2激光器,到高频罗兹泵型快速轴流、射频turbo型快速轴流以至目前出现的扩散型Slab CO2激光器的发展中可以看到,一方面激光输出功率不断提高,体积不断缩小,另一方面激光器的效率不断提高,光束质量越来越好。扩散型Slab CO2激光器光束横截面上光强分布接近高斯分布,具有极好的光束质量,在加大的激光加工工作区焦点的漂移很小,非常有利于大范围激光传输与聚集,这对大尺寸工件的切割应用非常重要。
  工业用固体YAG激光器也经历了从小功率灯泵浦(棒状)、灯泵浦(板条)、双灯泵浦(多棒)到光纤泵浦(棒状)、半导体泵浦(棒状)和片状固体激光器的过程。由于受工作物质热物理性质的制约,YAG激光光束质量模式相对较差。如何提高光束质量和激光功率,仍是YAG激光器面临的主要问题。
  值得注意的是近年来发展起来的半导体激光器。半导体激光器具有小型化、频率极高、与光纤良好耦合、易于调制等优良特性,因而具有广阔的应用前景。
  要在不同产业中广泛应用激光制造技术,很大程度上要依赖于激光加工系统的性能与工艺。欧、美、日一些国家在新光源、加工系统及工艺等方面的研究与开发就从未降温过。随着激光工作物质的研究与开发、器件与单元技术的改进和创新,以高性能、宽波段、大功率为特征的激光取得了蓬勃的发展,如紫外光输出的KrF、ArF准分子激光器、倍频激光器等。尤其是高功率光纤激光的出现,使激光制造的移动式定位加工变得更加便利。
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