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干货:固体激光器与光纤激光器应用差异!
发布时间:2022-09-23 08:25:10


   激光是二十世纪继核能、半导体、计算机后又一重大发明,并凭借其良好的单色性、方向性、亮度等特质被广泛应用于工业制造、生物医疗、军事等领域,被誉为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。
   激光器可以按照增益介质、输出波长、运转方式、泵浦方式进行分类,具体情况如下:

①按增益介质分类
按照增益介质的不同,激光器可分为固体(含全固态、光纤、混合、半导体)、 气体、液体激光器等,狭义的固体激光器一般指全固态激光器。公司产品目前涉及全固态(DPSS)、MOPA 光纤(偏振)及固体-光纤混合模式等主流激光器。

 

目前发现可做增益介质的物质有近千种,常见的有掺钕钇铝石榴石(又称YAG)、红宝石、钕玻璃、光纤、二氧化碳等。每类增益介质激光器具有自身的比较优势,应用领域有所侧重,相互间完全替代可能性较小。


②按输出波长分类
激光器按照波长可分为红外光激光器、可见光激光器、紫外激光器、深紫外激光器等。不同结构的物质可吸收的光波长范围不同,因此需要各波长的激光器应用于不同材料的精细加工。红外激光器与紫外激光器是运用最广泛的两种激光器:红外激光器主要应用于“热加工”,将材料表面的物质加热并使其汽化(蒸发),以除去材料;在薄膜非金属材料加工,半导体晶圆切割,有机玻璃切割、钻孔、打标等领域,高能量的紫外光子直接破坏非金属材料表面的分子键,使分子脱离物体,这种方式不会产生高热量反应,因此通常被称为“冷加工”,紫外激光机在微加工领域具有不可替代的优势。
由于紫外光子能量大,难以通过外激励源激励产生一定高功率的连续紫外激光,故连续紫外激光一般是应用晶体材料非线性效应变频方法产生,因此目前广泛应用工业领域的紫外激光器主要是固体紫外激光器。


③按运转方式分类
激光运转方式是激光器的技术核心,主要可以分为连续激光器和脉冲激光器。
连续激光器中各能级的粒子数及腔内辐射场均具有稳定分布,其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行。连续激光器可以在较长一段时间内连续输出激光,但热效应较明显。
脉冲激光器以不连续方式输出激光,主要特点是热效应小,可控性好。
脉冲激光器的脉冲宽度指激光功率维持在一定值时所持续的时间。目前常用的工业微加工激光器可分为纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器等。脉冲宽度越窄,对激光调制技术的应用要求就越高。


A、纳秒(10-9s)激光器:纳秒激光器的脉冲持续时间一般介于几十到几百纳秒的范围内。目前市场上纳秒脉冲激光器技术较为成熟,供选产品丰富,在向大功率和短波长的发展过程中光纤激光器和固体激光器各具优势。
B、超快激光器:超快激光器是指激光脉冲持续时间更短的激光器。相对纳秒激光器,超快激光器脉冲持续时间极短,瞬时功率极高,能量聚焦到极小的空间区域且不受脉冲重复频率和平均功率影响,光束质量持续稳定。目前超快激光器主要包括皮秒(10^-12s)激光器和飞秒(10^-15s)激光器,以飞秒激光为代表的超快脉冲激光技术是全球前沿激光技术之一。
综合上述分类方法,固体激光器(即上述全固态激光器)与光纤激光器是目前市场上两种主流激光器,二者在主要应用场景和技术发展趋势发面存在较大差异,两种技术路线并存发展,不存在相互替代关系。固体激光器和光纤激光器在主要激光加工应用领域的应用差异情况如下:

由上表,固体激光器与光纤激光器均能被应用于打标、切割、钻孔、焊接及增材制造等主要激光加工领域,但在各细分领域的具体应用场景存在差异,具体如下: 
①宏观加工领域 
该领域主要采用光纤激光器,一般不采用固体激光器。光纤激光器包括连续光纤激光器和脉冲光纤激光器。因连续光纤激光器高平均功率的特点,可广泛应用于厚金属材料的切割、焊接等宏观加工。宏观加工目前市场规模大,同行业可比公司中锐科激光和创鑫激光的主要产品为连续光纤激光器。 
②微加工领域 
该领域主要采用固体激光器,部分场景采用脉冲光纤激光器。固体激光器能够通过倍频晶体在谐振腔内将红外光转换为绿光、紫外光及深紫外光等短波长激光并对外输出,更短波长是微加工激光器的发展趋势,其产生热效应较低,能量利用效率高,从而能够有效提升加工精度,实现超精超微加工。固体激光器凭借其短波长(紫外、深紫外)、短脉宽(皮秒、纳秒)、高峰值功率的特点被主要应用于薄性、脆性等金属和非金属材料的精密微加工领域,此外,固体激光器被广泛应用于环境、医疗、军事等领域的前沿科学研究,发展前景广阔。
脉冲光纤激光器可以被应用于微加工领域,因其波长主要被限制在红外光的范围内,因此,一般用于金属材料且具有一定厚度、精度要求相对不高的部分微加工领域。



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