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工业应用
2μm光纤激光器促进激光应用新发展
录入时间:2017/5/11 12:01:43

 

/上海飞博激光科技有限公司

 

在过去十年中,1μm波段的高功率固体和光纤激光器在钣金行业获得了广泛应用,已经成为金属板材切割、焊接的一个标准工具。然而,不同材料对不同波长激光的响应差异很大,例如,广泛应用于工业的基于碳氢化合物的材料,因为在1μm波段吸收率很低,所以很难用常规激光器获得满意的加工效果。

 

2μm激光有望大幅度拓展激光的应用领域:水和碳氢分子材料出现在我们生活的每一个角落,而这两种物质在2μm波段有很强的吸收峰,所以2μm激光在医疗和非金属材料加工方面展现出广阔的应用前景;另外,由于覆盖1.88μm1.91μm2.412μm个重要的分子吸收带,2μm波段激光在遥感和光通信方面也有着重要的应用前景;同时,2μm波段激光还是中红外波段光学参量振荡器的理想抽运源。[1]

 

2μm波段激光最初是基于固体激光器获得的,不仅体积大,而且价格昂贵,因此限制了这种激光器的应用普及。近年来,随着光纤制造技术的进步,2μm光纤激光器逐渐成熟,例如,上海飞博激光科技有限公司目前已经可以提供功率高达180W2μm光纤激光器(见图1),这将有望促进一大批新的激光应用领域的出现。

 

1:上海飞博激光的2μm 180W光纤激光器。

在医疗手术中的应用

前列腺增生是一种严重影响男性身体健康和生活质量的疾病,药物治疗虽然可以延缓病情恶化,但仍然有相当一部分患者需要通过手术来治疗。传统的经尿道前列腺电切术类似削土豆皮,每刀只能切下一小块增生的组织,组织越大,切除的刀数越多,手术时间越长,同时要不断电凝止血,切开的创面血管暴露,冲洗液很容易被人体大量吸收,造成水中毒,危及生命。

2μm激光经尿道前列腺汽化切除术是目前治疗前列腺增生的最理想的技术。2μm激光通过传输光纤,通过患者的尿道到达前列腺增生处,强大的激光能量瞬间被水吸收,产生强烈的汽化切割效应,从而达到去除增生组织的目的。

2μm激光具有高度安全性:在水环境中,2μm激光手术系统的工作范围仅在光纤前端2mm以内,超过该距离的组织和器官将受到水的屏蔽而得到保护,操作安全性高。另外,2μm激光在组织中的穿透深度只有0.3mm(见图2),去除组织后留下的凝固层为1mm,具有良好的术中止血功能。[2]

2μm激光前列腺切除手术具有手术时间短、出血少、术后恢复快、病人痛苦小的优点,尤其适合于高龄、高危患者。实际激光前列腺切除手术效果如图3所示。此外,该技术也适用于膀胱肿瘤及尿道狭窄的治疗。

 

32μm激光前列腺切除手术,手术前(左)、手术中(中),手术后(右)。[3]

 

上海飞博激光科技有限公司MARS系列2μm激光器的功率范围在30~180W之间,性能参数完全满足激光手术的要求。目前,飞博激光正与合作伙伴共同开发2μm激光手术设备。

 

在热塑性塑料焊接中的应用

激光焊接技术在金属材料加工领域应用广泛,其优异的性能早已被多个应用行业所接受,成果显著。随着绿色环保理念在全球工业生产中的贯彻以及在生产成本控制方面的考虑,塑料作为一种性能优异的可再生非金属材料,日益被广泛的应用在各行业的零部件设计和制造中。传统的金属部件越来越多的被拥有同样性能的塑料部件替代,这就需要对塑料零部件之间的焊接技术及焊接质量等提出很高的要求,这些变化为激光焊接技术在塑料材料领域的应用提供了契机。[4]

激光焊接塑料的原理又称为激光透射焊接,其要求是一个零件能透过激光,而另一个零件能吸收激光。在焊接过程中,激光器产生的光束聚焦于待焊接区域,即激光束透过上面零件,在两零件接触面被另一个零件吸收,形成热作用区(焊缝),如图4所示。热作用区处的塑料被融化,热熔状态下的塑料大分子在焊接压力的作用下互相扩散,产生范德华力,进而将两个零件紧密地连接在一起。

  

4激光透射焊接塑料原理图。

塑料材料一般可分为热塑性材料和热固性材料两个大类,而热塑性塑料通常可采用振动、超声波等方式进行焊接;因而,热塑性塑料理论上都可使用激光来进行焊接。

常见的热塑性塑料有:ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PC 聚碳酸酯)PMMA聚甲基丙烯酸甲酯)、PP(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)、PE(聚乙烯)、PS(聚苯乙烯)、PEI(聚醚酰亚胺)、PA聚酰胺)等。图5是利用飞博激光的2μm光纤激光器获得的常见热塑性塑料焊接样件。

5常见热塑性塑料焊接样件。

 

实验结果表明:采用2μm波长光纤激光器作为焊接源,不需要在焊接前对塑料进行改性,焊接处塑料也未发生改性、老化、变色等问题;并且在实验中发现,当两个零件都是透明材料时,也同样可以获得良好的焊接效果。

 

在非金属材料打标中的应用

二维码(又称QR Code)是一种以某种规律在平面分布的黑白相间的图案字符,不同的分布代表不同的信息,这些信息可被计算机识别。二维码具有储存信息量大、可追踪性强、保密性高等特点,因而在产品追溯、存货盘点、安全保密、资料备援等方面具有重要的应用价值。目前,二维码已经被作为一种新型防伪和信息追踪手段,越来越多地出现在商家的广告宣传及商品包装上。

喷墨和打印是目前制作二维码的两种主要方式,主要存在以下问题:这两种标记方式都是采用油墨,很容易被涂改,无法保证标记信息的唯一性;另外,喷墨和打印技术不易在覆有反光膜的纸张上留下墨迹;同时,由于喷墨会带来的污染,使其在食品包装、药品包装等领域的应用存在一定的风险。

为了提高标记信息的持久唯一性,一种行之有效的措施是采用激光打标。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射,使表层材料汽化或发生颜色变化,从而留下永久性标记的一种方法。激光打标不仅绿色环保,而且由于不可涂改还具有防伪功能。另外,相比于喷墨打标,激光打标不需要耗材,长期使用成本更低。

市面上常见的半导体激光打标机、光纤激光打标机在金属材料打标中可以获得令人满意的效果,但是由于材料吸收特性的限制,无法对透明塑料或纸张等非金属材料进行标记。二氧化碳激光打标机可以对非金属材料进行标记,但因为激光波长,打标精细度很低,而且二氧化碳激光器体积庞大,耗电量高,不利于系统集成。

2μm光纤激光器集合了上述两种激光器的优点:激光器小巧紧凑,功耗低,免维护,打标速度快、精细度高,尤其适宜对非金属材料进行激光标记。图6为采用上海飞博激光科技有限公司2μm光纤激光器,分别在白纸表面和印刷有黑色颜料包装纸表面打码的实际效果图。

 

6激光打标二维码效果图。

结束语

2μm激光在生物医疗、非金属材料加工、遥感、光通信、科研等领域拥有诸多潜在的应用价值。相信随着激光技术的进步和激光器制造成本的不断降低,2μm光纤激光器必将在国民经济和社会发展中发挥重要作用。

 

参考文献

[1] 刘沛沛,白杨,任兆玉,白晋涛. 2μm光纤激光器的研究进展[J]. 红外与激光工程, 2009,38(1):45-49.

[2] Kamalov AA, Osmolovski BE, Transurethral photoselective laser vaporization in the treatment of prostatic ademoma [J]. Urologiia, 2008, (5): 28-31.

[3] http://www.lisalaserusa.com/

[4] 庞振华, 杨绍奎, 宋杰, 马跃新. 激光塑料焊接技术及典型应用,机电工程技术, 2010,39(4):17-20. 


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