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二极管激光器正尝试用于金属表面处理

2007-04-11 14:55
PokerJoker
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作者:Kathy Kincade

几乎每个人都听过一句古老的谚语:“如果一切尚好,那就别去改变它”。但历史多次反复证明:技术进步通常会改善工艺或生产出一些新东西,甚至是在人们还没有意识到需要改变的时候。
高功率二极管激光器的发展过程,尤其是当其应用于材料处理时,正符合了这种规律。在过去的二十年中,多模二极管激光器阵列和分立的单发射二极管器件的输出功率和功率转换效率均日益提高,这使半导体激光器从科学研究的对象演变为了真实的生产工具。实际上,人们在直接利用二极管激光器进行材料处理方面的研究兴趣,已成开发高功率二极管激光器的关键动力。尽管二极管激光器仍需数年时间的改进才能真正用作切除或切割重金属的工具,但在对输出光束质量和亮度要求不太严格的材料处理领域,比如表面处理等,二极管激光器正在赢得青睐。
 


图1.夫琅和费(Fraunhofer)表面处理和激光应用中心利用直接输出功率为3kW的二极管激光器和同轴进粉喷嘴新开发的覆层工艺。

在处理金属元件时,表面处理是激光能量最有效的应用之一,也是热传递最易控制的工艺。基于激光器的热处理、金属覆层、合金和焊接等技术,在汽车、航空、能源、国防和机械工具等行业中的应用,已经涵盖了从增加涡轮叶片的抗磨损能力到提高汽车发动机的抗腐蚀能力和工作性能等广阔的范围。过去,这些工作都是由Nd:YAG和CO2激光器承担的,二者都是获得广泛认可的材料处理工具。替换这些激光器的新方案,不仅在技术上要具有可行性,还必须要有商业优势。
这正是高功率二极管激光器的魅力所在。工程师们一直在努力解决某些长期存在的问题,比如,在紧凑的封装结构中用单一端口集中输出高达3~4kW的光功率时,如何克服高功率引起的散热难题。与在工业表面处理领域中采用的Nd:YAG或CO2激光器相比,二极管激光器在解决这些问题上显示出了大量的技术优势。特别是短波长二极管激光器的激光能量可被更多吸收,这有助于降低表面处理应用的整体功率要求。二极管激光器金属覆层系统完成金属覆层所需的激光能量通常只有CO2激光器的一半(见表1)。二极管激光器一般能达到25%~30%的电源总效率,而与之相比,Nd:YAG或CO2激光器只有大约10%的效率。此外,二极管激光器能采用光纤传输光束,这也使其在汽车领域中更具吸引力。CO2激光系统还需要预包覆一层增强吸收的金属,而二极管激光器则不需要。
夫琅和费(Fraunhofer)金属覆层和激光应用中心的激光部门经理Eric Stiles说,“多数激光金属覆层作业使用CO2激光器,但它与二极管激光器和其它同一波长的激光器相比存在固有的缺陷,而二极管激光器因为每千瓦功率的低廉成本,引发了人们将其用于覆层工艺的兴趣。因为大部分CO2激光的能量在工作时被损耗掉了,一个6~8kW的CO2激光系统所做的工作,由一个3~4kW的二极管激光器系统就可以完成了。对于CO2激光吸收弱的较低光功率强度,采用二极管特别合适,它能使大多数材料吸收更多光能。”

二极管激光器的利与弊
然而,尽管二极管激光器具有上述优点,但其仍需继续改进以适应对可靠性要求更高的高强度工业应用,比如,在激光覆层工艺中,激光能量用于在衬底上熔化或焊接金属及陶瓷粉末,以在金属元件上形成抗磨损层或抗腐蚀层(见图1)。尽管目前的高功率二极管激光器系统已解决了多数早期产品的可靠性问题,但二极管激光器系统用于大规模生产领域,尤其是要求脉冲工作方式时,仍然存在随机失效问题。由此看来,虽然工业用二极管激光器系统的整体成本能进一步降低,但是需要频繁更换二极管会干扰生产周期、增加企业用户的总体成本。
Newport激光器部门的市场主管Franck Leibreich说,“激光器的工作方式是材料处理市场关注的焦点。开启一秒关闭一秒的长时程微脉冲是二极管激光器最难实现的工作方式,因为这一方式在二极管内部引起巨大的应力而造成随机失效。所以,我们与其他人一道正努力研究焊接材料和热沉之间的相互作用,以便补偿热膨胀系数使激光器变得更加稳健可靠。目标是优化材料间的热交换过程”。
亮度是用户关注的另一个因素。根据Leibreich的描述,为了改变二极管激光器输出光束固有的低亮度和高度不对称性,人们开发了多个重要的光束整形和光束组合技术。能从芯径为600祄的光纤中产生4kW输出功率的二极管激光器件,现已应用于诸如金属覆层和退火等领域。
Rofin-Sinar大宗业务部经理Phillip Anthony说,“随着二极管激光器不断发展,预计在某两个工业应用领域中这一技术将会引起人们的极大兴趣。二极管和二极管阵列的寿命将会延长,企业用户们的长期成本会随着这一进步逐渐变得不再重要。第二,人们的多数时间和精力正用于改善光束质量,这使得光纤传输技术更加实用。最后,这一过程的推动力将会是企业用户们的生产成本以及二极管激光器的预期寿命能达到数万小时。”

现实情况
尽管人们还在努力提高二极管激光器的可靠性和使用寿命,部分公司和组织已经证实了这一技术用于表面处理工艺的经济效益。例如,夫琅和费中心的Stiles和他的同事,已经利用Rofin-Sinar的直接输出功率达3kW的二极管激光器和同轴进粉喷嘴,开发了一种新的金属覆层工艺。石油行业已在进行初步尝试,新的耐磨保护硬质包覆层已被开发、测试并应用于大量的井下钻探工具。
在商业领域的前沿阵地,Nuvonyx和Laserline两家公司都已在二极管激光器金属覆层系统上取得部分成绩(见图2)。Nuvonyx公司在2006年6月推出的最新产品是光输出功率密度大于1MW/cm2的光纤耦合二极管激光系统,他们宣称这一数值比其它任何单一波长工作的商用系统均高出一个数量级。
 


图2. Laserline公司的3kW直接输出二极管激光器金属覆层系统正被用于多个行业,包括航空航天、发电站(涡轮叶片)、石油开采(钻孔工具)、建筑陶瓷(耐磨保护)、铸造(平板铲车)和炼钢(钢铁制造厂的运送滚筒)等。

Laserline公司的专家也将利用光纤传输的高功率二极管激光器的输出功率提高到了6kW。按照该公司美国运营副总裁Klaus Kleine的说法,Laserline公司正开始在工业领域尤其是美国地区,使用二极管激光器代替CO2和Nd:YAG激光器。Kleine说,尽管航空航天和发电行业继续采用体积巨大的激光金属覆层系统,二极管激光器正大举进入其它行业,而且系统的紧凑性、工作效率和适应用户经济承受力等特点会逐步吸引更多的客户。
他还说,“在欧洲,已安装运行的二极管激光器系统在汽车领域的应用更为普遍,这也是其在表面处理领域中最活跃的应用。柴油发动机技术正在推动大多数这方面的技术进展。欧洲的目标是通过表面处理使柴油发动机更清洁而燃料利用率更高”。
声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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