一文讀懂?dāng)?shù)字化光纖激光器

2023年10月17日

一、數(shù)字化光纖激光器概念

一個(gè)激光脈沖主要有三個(gè)參數(shù)：峰值功率、脈沖能量、脈沖時(shí)間波形。在激光與材料相互作用時(shí)，峰值功率密度決定材料的物理狀態(tài)（如加熱、熔化、氣化、等離子態(tài)等）；能量密度決定材料處在哪種物理狀態(tài)的質(zhì)量有多少；脈沖波形決定材料的升溫、保溫、降溫的速率。

在華中科技大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)下，鞍山華科大激光科技有限公司研制的數(shù)字化光纖激光器是采用高功率激光調(diào)制器和高光束質(zhì)量光纖激光器相結(jié)合，使激光輸出的峰值功率、脈沖能量、脈沖波形精密可控的一種新型激光器。（如圖1所示）

圖 1 數(shù)字化光纖激光器原理圖

二、主要技術(shù)指標(biāo)

最大輸出平均功率：3kw，

光束質(zhì)量：M2≤1.5，

最大調(diào)制脈沖頻率：1MHz，

輸出脈沖波形：任意（由控制信號(hào)脈沖波形決定），

具備脈沖串輸出功能。

（如圖2所示）

圖 2 數(shù)字化光纖激光器輸出特性

三、應(yīng)用

1. 激光微熔二維碼標(biāo)記

將數(shù)字化光纖激光器的脈沖能量和峰值功率精密控制，并將脈沖波形設(shè)為正弦波，可在碳鋼板上獲得一致性好的微熔凸點(diǎn)，由這些微熔凸點(diǎn)構(gòu)成點(diǎn)陣二維碼。此標(biāo)記技術(shù)可替代激光深度標(biāo)刻，廣泛應(yīng)用在中厚鋼板或大型零件的數(shù)據(jù)追溯中，也可應(yīng)用到盲文的制作中。

圖3 數(shù)字化光纖激光器微熔凸點(diǎn)

圖4 數(shù)字化光纖激光器微熔凸點(diǎn)二維碼標(biāo)記

2. 激光巖板切割

將數(shù)字化光纖激光器的脈沖能量和峰值功率精密控制，并將脈沖波形設(shè)為方波，控制好脈沖重復(fù)頻率，即可切割巖板。

圖5 數(shù)字化光纖激光器切割的巖板

3.氧化鋁、氮化鋁陶瓷打孔、切割、劃線

圖6 數(shù)字化光纖激光器對(duì)氧化鋁陶瓷的打孔、切割

4. 薄金屬板激光精密焊接、打孔、切割

數(shù)字化光纖激光器可在控制激光脈沖能量時(shí)，保持激光脈沖的峰值功率不變，也可在改變激光脈沖峰值功率時(shí)，保持激光脈沖能量不變，優(yōu)于市場(chǎng)上的QCW脈沖光纖激光器；在高頻調(diào)制時(shí)，調(diào)制脈沖的上升沿、下降沿和調(diào)制頻率等，均優(yōu)于連續(xù)激光器的調(diào)制功能。因而，現(xiàn)有基于脈沖或連續(xù)光纖激光器的激光精密焊接、打孔、切割等應(yīng)用，都可采用數(shù)字化光纖激光器，以獲得更好的加工質(zhì)量、效率和成品率。

5. 激光增材制造

利用數(shù)字化光纖激光器輸出波形任意可控的特點(diǎn)，對(duì)激光增材制造過(guò)程中瞬時(shí)溫度場(chǎng)特別是冷卻溫度梯度的精確控制，減少微裂紋萌生及實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜形狀零件顯微組織均勻穩(wěn)定性的調(diào)控，可解決高溫合金增材制造中微裂紋萌生及顯微組織穩(wěn)定性控制等難題，提升激光增材制造用高端裝備開(kāi)發(fā)的技術(shù)水平。

總之，數(shù)字化光纖激光器在波形控制、能量控制、峰值功率控制等方面都優(yōu)于現(xiàn)有的連續(xù)光纖激光器的電源控制和QCW脈沖光纖激光器，在激光精密打孔、標(biāo)記、焊接、3D打印中有廣泛的應(yīng)用。