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工业应用
为打标和雕刻量身定制的一体化DPSS激光器
材料来源:激光世界           录入时间:2016/6/2 9:42:08

 

/Marin IlievHeidi GardinerRMI Laser公司

 

 

受益于半导体技术和晶体学的进步,当涉及到快和超快(纳秒到皮秒)高功率、工业级激光系统时,二极管泵浦固态(DPSS)激光系统已经成为业界熟知的产品。目前,这些系统中最普遍的放大材料是NdYAG和钒酸盐(NdYVO4),因为它们具有高增益、大热负荷能力,以及接近单频的发射光谱。

 

这些四能级系统通常为端面泵浦棒状或碟片配置,以确保与泵浦光束接近完美的模式重叠,这反过来又提高了谐振光束对晶体中储能的提取效率。泵浦二极管的窄谱精确地调谐到钕的808nm吸收线,从而减少了晶体的热负荷。

 

二极管阵列的光输出具有椭圆形截面,使其难以操控。将光直接耦合到光纤容易将泵浦光再导入增益晶体,同时清理阵列输出的光束形状,允许多个二极管发射器堆叠获得更高的泵浦功率。光纤的输出端通常置于靠近增益晶体,从光纤尖端到晶体平面之间,仅有高反镜和两片再成像透镜。这种光纤耦合不仅改善光束传输,也减少了设计上的热提取约束,因为它将谐振器的较大部分生热(激光二极管)分离出去。为了管理一些高数值孔径(NA)光纤输出的固有后果,光束用透镜重新缩放,在增益晶体处提供更柔和、更平滑的束腰。

 

不同类型的打标

 

于打标和工业应用,最重要的激光器特性是脉冲能量、重复频率和干净的激光横模。这种激光器的主要目标,是能够在各种材料表面上快速打标。我们区分几种类型的打标,如深雕、深色退火,以及在特定表面上的颜色退火。

 

在纳秒脉宽区采用NdYAGNdYVO4,需要非常精确的光束性能,以允许在这些打标模式之间的切换。通常情况下,深雕要求完美的高斯光束。这是因为高斯模式是一种传播时常规轮廓不发生改变的自由空间模式,因此会由于实际光束的聚焦(离焦)使峰值功率发生改变。高斯光束可以在其最强的区域达到峰值功率远远高于电离水平,并创建微观等离子体,可以去除打标材料精确的一部分。与等离子体的相互作用在表面上创建圆形印记,并具有一定深度​​。当光束以特定图案进行扫描时,由若干脉冲所产生的连接点形成雕刻对象的外观。

 

对于具体的激光源,光束被聚焦得越小,单点将越小,并且将需要越多的点来填充相同大小的区域。更小点的尺寸最终受限于光束质量和衍射极限。使用相同的激光源光束质量的打标头532nm系统能比1064nm系统打标出更小的点,完全基于衍射极限。

 

由于谐振腔内的各种效应,输出通常不是完美的高斯形。这种偏离表示为光束质量(M2)值,对于典型的RMI Laser系统,该值为1.2或更好,其中值为1对应于完美的TEM00高斯模式。重要的是要注意到,在谐振器中,改变泵浦条件可以影响增益晶体中的热梯度,改变光束的M2值,甚至破坏模式结构。对于一些更高功率的应用,一个用与增益材料相同但未掺杂的晶体作成的端帽,用于耗散热量、减小热透镜效应。该端帽可以与晶体的常规增益部分光学粘合或生长在一起。

 

脉冲特性

 

泵浦光束束腰尺寸的选择,意味着横单模和多模运行之间的差别。在许多应用中,如纳秒脉宽打标和材料加工,纵模不加以控制,因为它们在工艺过程中不起大的作用。然而,单纵模运行可以通过加入基于法布里-珀罗谐振器的带通滤光片来实现,而该谐振器具有类似于振荡频率整数倍的增益带宽滤波的谐振间隔。具有10~15cm腔长(包含两块互相平行的反射镜)、增益晶体和声光调制器的典型DPSS NdYVO4激光器,可以产生短至10ns、单脉冲能量0.5mJ1064nm脉冲。该输出可以通过二次或三次谐波产生(SHGTHG),很容易上转换分别获得532nm355nm的输出。

 

RMI Laser公司生产数瓦级的1064nm532nm系统。较短的波长通常被认为是打标,并且适用于玻璃、塑料以及其他易裂的类似材料,这是由于使用常规1064nm光束所产生的吸收导致的温度梯度。较短波长也等同于打标面更小的焦斑尺寸和更高的峰值强度,从而提高了精度和打标质量。

 

有一种不同类型的激光打标,表面不被激光破坏而是由于氧化改变颜色,称为退火。典型的深色退火打标要求非常精确的聚焦和能量条件,一项关键因素是所使用的光束轮廓。顶帽或几乎正方形轮廓的光束将创建均匀的强度分布,从而均匀加热光束照射区域。然后,空气中的氧可以结合到金属(通常为钢)表面改变其颜色(见图1)。表面的这种重组是无损的,在需要考虑无菌环境的应用中,该方法是首选。

 

1:对峰值功率、打标速度和脉冲个数的精确控制,能够实现具有大量细节的不锈钢彩色激光退火(打印)。这里显示了一些可获得的颜色(a)和复杂图案的高印刷质量(b)。

 

该工艺的少许改变是彩色打标。彩色打标工艺在表面重构中形成气泡,固化后反射入射环境光的不同波长。采用RMI的内部U-20机器,我们已经在产生这些标记方面获得了巨大成功,通常需要极佳的稳定性和可调谐性,以在特定材料上获得一致的结果

 

一体化解决问题

 

虽然市场上的许多DPSS激光器瞄准高脉冲功率,并具有复杂的系统设计,我们选取的方案之一却是制造非常稳定、低功耗(约1WQ)、便携式桌面设备,可以OEM集成。UM-1激光打标机(见图2)在打标头中包含了与工作相关的所有组件,它解决了典型DPSS系统长期以来一直存在的一些问题,如泵浦光纤弯曲,以及电子和RF组件热稳定性引起的激光输出功率变化,同时其轻重量特性(50磅,包括罩壳)也使其更加便携。该系统采用空气冷却,并且能防尘和抵御各种环境。

 

 

2UM-1激光系统的典型桌面设置。与打标工艺相关的所有组件封闭在打标头内(图左),只需要单根常规电缆连接电源(图右)。无典型的控制器/打标头设置节省空间,同时为集成优化了模块。

 

系统的稳定性是通过使用所谓的RF控制模式增强的,为实现脉冲功率的改变,泵浦二极管在恒定电流下工作,取而代之的是改变腔内损耗(通过Q开关调制)。改变泵浦电流时,增益晶体内的热透镜可以显著改变。为了提供打标期间改变脉冲能量的灵活性,或者需要晶体中的能量更少(二极管更低的泵浦电流),或者是腔内损耗必须增加。后一种方法提供更稳定的谐振腔,因为在这种调制期间几何光束传播几乎保持恒定。

 

UM-1系统中,谐振腔在一侧具有稍微弯曲的光学元件,以补偿由泵浦光束引起的热透镜,并且只有当特定泵浦功率水平达到时最稳定。我们使泵浦二极管保持在该功率水平下,以锁定腔的物理稳定性。然后,Q开关调制器相应地改变,以完全抑制激射,或允许最高可能的脉冲从谐振器输出。

 

腔内Q开关驱动器有逻辑时钟信号,也有模拟输入。当模拟线路上的电压达到最大值时,腔由Q开关实现抑制激射,但间歇电压使得光束的输出功率可调谐。这转化为打标头的多功能打标能力。一体化的热包装使Q开关驱动器恒温,从而使由于电气元件的电阻率随环境温度的变化所引起的抑制功率漂移最小化。此外,一体化方案最大限度地减少密封点,从而减少了维护。

 

未来,数瓦的激光打标系统无疑会采用一体化设计,这是由于一体化设计所具备的稳定性、简便性和在工业生产线中的集成能力。然而,像UM-1一样的较小系统,会将市场扩大到基于报摊的应用以及综合小卖部,使激光打标突破工业环境,就像过去的传统打印技术一样,走向日常用户。

 


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