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一文讀懂數(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
一個激光脈沖主要有三個參數(shù)：峰值功率、脈沖能量、脈沖時間波形。在激光與材料相互作用時，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)團隊指導(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）
二、主要技術(shù)指標
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（由控制信號脈沖波形決定），
具備脈沖串輸出功能。
（如圖2所示）
三、應(yīng)用
1. 激光微熔二維碼標記
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，由這些微熔凸點構(gòu)成點陣二維碼。此標記技術(shù)可替代激光深度標刻，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。
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。
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，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，保持激光脈沖能量不變，優(yōu)于市場上的QCW脈沖光纖激光器；在高頻調(diào)制時，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，對激光增材制造過程中瞬時溫度場特別是冷卻溫度梯度的精確控制，減少微裂紋萌生及實現(xiàn)對復(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、標記、焊接、3D打印中有廣泛的應(yīng)用。
一個激光脈沖主要有三個參數(shù)：峰值功率、脈沖能量、脈沖時間波形。在激光與材料相互作用時，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)團隊指導(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
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，由這些微熔凸點構(gòu)成點陣二維碼。此標記技術(shù)可替代激光深度標刻，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
圖4 數(shù)字化光纖激光器微熔凸點二維碼標記
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，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，保持激光脈沖能量不變，優(yōu)于市場上的QCW脈沖光纖激光器；在高頻調(diào)制時，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，對激光增材制造過程中瞬時溫度場特別是冷卻溫度梯度的精確控制，減少微裂紋萌生及實現(xiàn)對復(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、標記、焊接、3D打印中有廣泛的應(yīng)用。
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