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光纖激光器與YAG激光器在切割領(lǐng)域中對比分析

一、光纖激光器

　　1.原理：

　　光纖通常是以SiO2為基質(zhì)材料拉成的玻璃實(shí)體纖維，主要廣泛應(yīng)用于光纖通訊，其導(dǎo)光原理就是光的全內(nèi)反射機(jī)理。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯(芯徑一般為9-62.5um)、中間為低折射率硅玻璃包層(芯徑一般為125um)和最外部的加強(qiáng)樹脂涂層組成（見圖一）。

　　光纖可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖：中心玻璃芯較細(xì)(直徑9um+0.5um)，只能傳一種模式的光，其模間色散很小，具有自選模和限模的功能。多模光纖：中心玻璃芯較粗(50um+1um)，可傳多種模式的光，但其模間色散較大，傳輸?shù)墓獠患儭?br/> 光纖激光器

　　
2.優(yōu)點(diǎn)：

　　光纖激光器具有體積小、能耗低、壽命長、穩(wěn)定性高、免維護(hù)、多波段、綠色環(huán)保等特征，它以優(yōu)越的光束質(zhì)量、穩(wěn)定的性能、超高的光電轉(zhuǎn)換效率，贏得了眾多激光業(yè)內(nèi)人士的肯定。光纖激光器以其超高的可靠性，卓越的光束質(zhì)量，低廉的運(yùn)行成本，為激光加工行業(yè)建立了新的標(biāo)準(zhǔn)。

　　它增益介質(zhì)長、耦合效率高、散熱好、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、使用靈活方便、輸出激光光束質(zhì)量好且輸出波長范圍寬（400～3400nm）。

　　1）高功率

　　高功率光纖激光器都是雙包層光纖，泵浦光打到外包層上，能量被吸收，再部分轉(zhuǎn)換為激光，因此包層的材料和結(jié)構(gòu)對光纖激光器的影響很大，目前各國已研制出各種形狀的光纖，有圓形的、D形的、矩形的、非穩(wěn)腔形、梅花形、正方形、平面螺紋形等。

　　2）無需熱電冷卻器

　　這種大功率的寬面多模二極管可在很高的溫度下工作，只須簡單的風(fēng)冷，成本低。

　　3）很寬的泵浦波長范圍

　　高功率的光纖激光器內(nèi)的活性包層光纖摻雜了鉺/鐿稀土元素，有一個寬且又平坦的光波吸收區(qū)(930-970nm),因此，泵浦二極管不需任何類型的波長穩(wěn)定裝置

　　4）效率高

　　泵浦光多次橫穿過單模光纖纖芯，因此其利用率高。

　　5）高可靠性

　　1、采用杈纖直接熔接耦合進(jìn)行側(cè)泵，一無需任何光學(xué)元件，二可避免損傷光纖端面，三是容易提高泵源的注入。

　　2、新穎的蜈蚣式側(cè)泵方式：光纖兩側(cè)生許多纖杈與LD尾纖直接熔接，從各個不同點(diǎn)進(jìn)行單個泵浦，可避免強(qiáng)激光單點(diǎn)引起的非線性效應(yīng)和模式惡化。

　　3、采用多個高功率LD單管代替LD集成陣列作泵浦源，一可提高光源的模式，二是易于泵源的散熱提高壽命，三有利于維修更換。!q!lj,q)Pq7u

　　4、采用發(fā)光面很寬的LD（100-250us）作為泵源可大大降低LD發(fā)光點(diǎn)所承受的光功率密度提高其壽命，一般可達(dá)100,000小時(shí)。

3.應(yīng)用：

　　光纖激光器只消耗相當(dāng)于1%的燈泵激光器所需電能，同時(shí)其效率是半導(dǎo)體泵固體激光器(Nd激光系統(tǒng))的兩倍以上。更高的效率、更長的使用壽命、更少的維護(hù)結(jié)合起來使得光纖激光器的擁有者的成本富有極強(qiáng)的吸引力。光纖激光器在那些要求近紅外高光束質(zhì)量的激光器應(yīng)用中大有用武之地。他們會對小的聚焦光斑、高的功率密度有特殊的興趣，如桌面式的生產(chǎn)。一束100W的激光輸出光斑可以被聚焦到5um那么小，這相當(dāng)于亮度是10⁹W/cm²。纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠(yuǎn)距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標(biāo)激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔、切割、焊接等等。

　　缺點(diǎn)：

　　價(jià)格比較高，通常僅限制在金屬加工領(lǐng)域，而在非金屬加工中不太可能有所作為。比如塑料、紙張或布料等材料。這些行業(yè)將繼續(xù)由CO2激光器統(tǒng)治

　　與傳統(tǒng)激光切割機(jī)相比，光纖切割的優(yōu)點(diǎn)

　　它既可做平面切割,也可做斜角切割加工,且邊緣整齊、平滑,適用于金屬板、玻璃等高精度的切割加工。比起普通二氧化碳激光切割機(jī)更節(jié)省空間和氣體消耗量，光電轉(zhuǎn)化率高，是節(jié)能環(huán)保的新產(chǎn)品。

　　光纖激光切割機(jī)具有極高的電光轉(zhuǎn)換效率，其電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)25％，比傳統(tǒng)激光切割機(jī)的電光轉(zhuǎn)換效率高出數(shù)倍，而綜合運(yùn)行費(fèi)用卻僅為傳統(tǒng)激光切割機(jī)的15％。同時(shí)，光纖激光切割機(jī)體積較小，其激光發(fā)生器的占地面積不到1平方米，整體占地面積約50平方米，為傳統(tǒng)激光切割機(jī)的三分之二。

　　二、YAG激光器

　　1.原理：

　　YAG激光器是以釔鋁石榴石晶體為基質(zhì)的一種固體激光器。釔鋁石榴石的化學(xué)式是Y3Al5O15,簡稱為YAG。

　　和其他固體激光器一樣,YAG激光器基本組成部分是激光工作物質(zhì)、泵浦源和諧振腔。不過由于晶體中所摻雜的激活離子種類不同,泵浦源及泵浦方式不同,所采用的諧振腔的結(jié)構(gòu)不同,以及采用的其他功能性結(jié)構(gòu)器件不同,YAG激光器又可分為多種,例如按輸出波形可分為連續(xù)波YAG激光器、重頻YAG激光器和脈沖激光器等;按工作波長分為1.06μmYAG激光器、倍頻YAG激光器、拉曼頻移YAG激光器(λ=1.54μm)和可調(diào)諧YAG激光器(如色心激光器)等;按摻雜不同可分為Nd:YAG激光器、摻Ho、Tm、Er等的YAG激光器;以晶體的形狀不同分為棒形和板條形YAG激光器;根據(jù)輸出功率(能量)不同,可分為高功率和中小功率YAG激光器等。

　　固體激光切割機(jī)將波長為1064nm的脈沖激光束經(jīng)過擴(kuò)束、反射、聚焦后，輻射加熱材料表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，由數(shù)字化精確控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，瞬間使材料熔融汽化蒸發(fā)，從而通過數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定軌跡的切割、焊接、打孔。

2.特點(diǎn)：

　　該機(jī)光束質(zhì)量好、具有高效率、低成本、穩(wěn)定、安全、更精密、可靠性高，集切割、焊接、打孔等多功能為一體，是理想的精密高效柔性加工設(shè)備。

　　■加工速度快，效率高，經(jīng)濟(jì)效益好

　　■直邊割縫小，切割面光滑，可獲得大的深徑比和深寬比

　　■熱變形極小，可在硬、脆、軟等各種材料上進(jìn)行加工

　　■不存在刀具磨損、替換問題，無機(jī)械變

　　■容易實(shí)現(xiàn)自動化，可在特殊條件下實(shí)現(xiàn)加工

　　泵浦效率高,可達(dá)20%左右(燈浦泵效率只有百分之幾)隨著效率的提高,激光介質(zhì)的熱負(fù)荷下降,因此大大改善光束質(zhì)量壽命長(LD的壽命達(dá)數(shù)萬小時(shí),脈沖達(dá)1011次),可靠性高、體積小,重量輕,適于小型化應(yīng)用。

　　3.應(yīng)用：

　　適用于金屬材料的激光切割、焊接、打孔：如碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鋁及合金、銅及合金、鈦及合金、鎳鉬合金等材料。廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、艦船、石化、醫(yī)療、儀表、微電子、汽車等行業(yè)。不僅使加工質(zhì)量得到提高,而且提高了工作效率;除此之外,YAG激光器還可以為科學(xué)研究提供一種精確而快捷的研究手段。

　　4. 相比于其他的激光器（主要是指CO2激光器）的優(yōu)點(diǎn)：

　　1）YAG激光器能以脈沖和連續(xù)兩種方式工作，其脈沖輸出可通過調(diào)Q和鎖模技術(shù)獲得短脈沖及超短脈沖，從而使其加工范圍比CO2激光更大；

　　2）它輸出的波長為1.06um，恰好比CO2激光波長10.06um小一個數(shù)量級，因而使其與金屬的偶合效率高、加工性能良好（一臺800WYAG激光器的有效功率相當(dāng)于3KWCO2激光功率）；

　　3）YAG激光器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、使用簡便可靠、維修要求較低。

　　4）YAG激光器能與光纖偶合，借助時(shí)間分割和功率分割多路系統(tǒng)能方便地將一束激光傳輸給多個工位或遠(yuǎn)程距離工位，便于激光加工實(shí)現(xiàn)柔性化。

　　所以，在激光器的選擇上，要考慮到各種參數(shù)，以及自身的實(shí)際需要，只有這樣，才能讓激光器發(fā)揮出它的最大效能。

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