Tony Hoult, IPG Photonics Santa Clara技術(shù)中心應(yīng)用經(jīng)理
近幾十年來(lái)，包層泵浦光纖激光器在激光行業(yè)大獲成功，且近期的報(bào)告顯示這種增長(zhǎng)將繼續(xù)保持良好的趨勢(shì)。無(wú)論是用于打標(biāo)的低功率光纖激光器，還是用于切割及焊接的高功率光纖激光器都迅速地?cái)U(kuò)大了市場(chǎng)份額。近期報(bào)告還顯示，用于工業(yè)激光器最大市場(chǎng)金屬薄板切割的光纖激光器將很快超過(guò)CO2激光器。此外，作為制造皮秒和飛秒短脈沖激光器的重要元件，光纖放大器、光纖準(zhǔn)直鏡等光纖激光器元件也在被廣泛使用。
準(zhǔn)連續(xù)（QCW）光纖激光器
本文我們將介紹同樣正在市場(chǎng)迅速崛起的第三種光纖激光器。被稱為準(zhǔn)連續(xù)（QCW）激光器的一類近紅外光纖激光器正在迅速取代歷史悠久的Nd:YAG燈泵浦激光器。電光轉(zhuǎn)換效率高、可靠性好、免維護(hù)、穩(wěn)定性強(qiáng)及更小的占地面積——這些光纖激光器相對(duì)于其他激光器的核心優(yōu)勢(shì)已具有良好的證明，準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器同樣具備上述所有優(yōu)勢(shì)。
自2011年榮獲國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)頒發(fā)的Prism獎(jiǎng)以來(lái)，準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器已經(jīng)獲得產(chǎn)品系列的全面發(fā)展，某些型號(hào)具有高達(dá)20 kW的峰值功率。由于切割及鉆孔應(yīng)用曾經(jīng)在《激光微加工工藝在規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用》中進(jìn)行過(guò)討論，我們這里將討論準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器其他更多的應(yīng)用。
研發(fā)準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的初衷，是希望將光纖激光器的優(yōu)勢(shì)引入那些需要低平均功率、低占空比的脈沖激光焊接，例如圖1所示的有限熱導(dǎo)點(diǎn)焊。然而研究人員很快發(fā)現(xiàn)，這些高亮度能量源可以使用更小芯徑的傳輸光纖。實(shí)際上，準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器可連接單模光纖（芯徑小于15 μm），具有極為精細(xì)的切割及鉆孔性能。
圖1 典型的有限熱導(dǎo)點(diǎn)焊
許多光纖激光器（但不是全部）區(qū)別于其他激光工藝的特性在于單芯結(jié)二極管激光泵浦源。作為全球高功率光纖激光器的領(lǐng)導(dǎo)者，成功在很大程度上得益于這些單芯結(jié)二極管的穩(wěn)定性和使用壽命。使用單芯結(jié)二極管泵浦而不是二極管巴條或陣列的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于可以在0–100%的占空比范圍內(nèi)泵浦有源光纖，也就是說(shuō)可以在0–100%的占空比范圍內(nèi)調(diào)制連續(xù)激光器。這種調(diào)節(jié)范圍在QCW光纖激光器上同樣適用。
實(shí)際上光纖激光器的有源光纖芯徑本身特別的小（<15 µm），所以只能形成單模輸出。這樣不僅能夠高效的生成相干光束，而且憑借其超高的表面積/體積比率，光纖幾乎完全可以進(jìn)行自冷卻。由此解決了溫度波動(dòng)及相關(guān)的熱效應(yīng)問題，保證了極其穩(wěn)定的光束輸出。
用小芯徑有源光纖輸出激光束的另外一個(gè)重要作用，就是在必要的時(shí)候，可以通過(guò)單模無(wú)源光纖（稱為“傳輸光纖”）將激光輸出至激光加工頭。這種情況下光束具有最大的亮度和聚焦性能。在許多材料加工應(yīng)用中，專業(yè)技術(shù)人員可以通過(guò)接入芯徑較大的傳輸光纖，或是只是簡(jiǎn)單地添加一個(gè)光耦等方式，從一臺(tái)激光器中獲得不同的光束直徑及光斑尺寸。
Q
什么是準(zhǔn)連續(xù)光纖（QCW）激光器？
A
通常人們對(duì)于“準(zhǔn)”這個(gè)前綴的理解是，
該物體保留了其自身的一部分特性。
因此，準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器保留了
連續(xù)波光纖激光器的所有眾所周知的
優(yōu)勢(shì)，而且還有一個(gè)重要的特性——
峰值功率增至連續(xù)波功率的10倍——
增加的多個(gè)泵浦二極管只需簡(jiǎn)單的接入有源光纖。將這些二極管的占空比限定為10%大幅降低了對(duì)電源功率的需求，但當(dāng)激光器處于脈沖模式時(shí)，就能產(chǎn)生10倍以上的瞬時(shí)（峰值）功率。某些型號(hào)甚至可以在幾毫秒的脈寬內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)60 J的脈沖能量。
激光“耦合”或破壞金屬表面反射率從而開始產(chǎn)生一次焊接的能力與激光脈沖的峰值功率密切相關(guān)。由于真正的QCW脈沖激光器擁有高一個(gè)數(shù)量級(jí)的峰值功率，這種耦合能力大大增強(qiáng)。這種特性使QCW激光器在低功率激光焊接應(yīng)用中對(duì)傳統(tǒng)的燈泵浦激光器和連續(xù)激光器非常有競(jìng)爭(zhēng)力。
由于準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的研發(fā)初衷是點(diǎn)焊，因此需要注意的是， 150 W連續(xù)激光器需要67 ms產(chǎn)生10 J調(diào)制脈沖能量。光束峰值功率與連續(xù)輸出功率相同，也是150 W。下圖中的公式表明，這種較低峰值功率的光束所生成的峰值功率密度（也就是輻照度）會(huì)更低。
然而，能量需求最低的準(zhǔn)連續(xù)激光器在用于圖1所示的有限熱導(dǎo)點(diǎn)焊時(shí)，能在頻率為15 Hz，脈寬為8 ms時(shí)生成峰值功率為1250 W的10J脈沖能量。很明顯，10 ms內(nèi)在焊接部件上產(chǎn)生的間接熱影響要比67 ms所產(chǎn)生的間接熱影響小得多。
準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的命名規(guī)則反映了增強(qiáng)的峰值功率，以XXX/YYYY組合表示，其中XXX為平均功率，YYYY為峰值功率——峰值功率通常為平均功率的10倍。所以，一臺(tái)型號(hào)為“150/1500”的激光器表示在一個(gè)脈沖周期內(nèi)其平均功率為150 W，峰值功率為1500 W ，最大占空比為10%。如今，準(zhǔn)連續(xù)激光器的平均功率最高已達(dá)到2 kW，峰值功率達(dá)到20 kW，用于航空航天合金高速激光鉆孔（如圖2所示）。
圖2 用于航空航天鉆孔應(yīng)用的高功率準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器
從本質(zhì)上說(shuō)，如果某種激光工藝需要峰值功率，那么與可以提供相同峰值功率的連續(xù)激光器比，這種準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器更具性價(jià)比。新一代準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的脈寬可低至10 μs。需要注意的是，最大脈寬與峰值功率成反比：脈寬為10 ms時(shí)峰值功率為1500 W，脈寬為15 ms時(shí)峰值功率為1000 W，脈寬為50 ms時(shí)峰值功率為300 W，脈寬越長(zhǎng)，峰值功率越低。因此，對(duì)峰值功率的要求越低，比如焊接低反射材料，可選擇的脈寬就越長(zhǎng)，占空比也越高。
準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的連續(xù)或連續(xù)調(diào)制模式
單芯結(jié)二極管泵浦使準(zhǔn)連續(xù)激光器的另一個(gè)特性成為可能，激光器可以設(shè)置為脈沖模式或連續(xù)模式，這也是QCW的前綴“準(zhǔn)”的含義。在連續(xù)模式下，準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的平均功率高30%。在連續(xù)調(diào)制模式下，QCW可以在進(jìn)行切割時(shí)最小化對(duì)部件的熱影響。同樣，在連續(xù)模式下，配合帶低模光纖的掃描振鏡QCW可進(jìn)行超高速、高深寬比的‘微型鑰匙孔’焊接（如圖3所示），與圖1的焊接方法比，這需要非常高要求的部件裝配。
圖3 微型鑰匙孔焊接
時(shí)域脈沖整形模式
時(shí)域脈沖整形是多年來(lái)用于燈泵浦激光器的技術(shù)。對(duì)于某些醫(yī)療器械的加工，例如心臟起搏器鈦外殼的激光焊接等，這種技術(shù)被廣泛使用。脈沖整形發(fā)生器（PSG）專用的圖形用戶界面（GUI）可實(shí)現(xiàn)靈活多變的時(shí)域脈沖整形，使得QCW激光器可以提供梯度變化的脈沖能量（如圖4所示）。這可以用來(lái)在激光焊接開始和結(jié)束的位置避免“焊接管“或氣孔等焊接變形。
圖4 4 ms脈沖周期內(nèi)脈沖梯度下降的圖形用戶界面
內(nèi)部微焊接試驗(yàn)也表明，延長(zhǎng)激光焊接脈沖的尾部，減少了凝固過(guò)程中由表面張力產(chǎn)生的波紋等，因此能使焊縫表面更光滑（如圖5所示）。
圖5 薄箔焊接的光滑焊點(diǎn)
高亮度應(yīng)用
使用配有50 mm聚焦鏡、60 mm準(zhǔn)直鏡的激光加工頭和單模光纖可產(chǎn)生直徑＜20 μm的聚焦光斑。根據(jù)峰值功率密度（輻照度）與聚焦光斑尺寸的關(guān)系（如前面公式），峰值功率密度很容易達(dá)到500 MW/cm2。采用已有的光束傳輸系統(tǒng)的高性價(jià)比光纖激光器從未獲得過(guò)如此高的峰值功率密度和焦耳級(jí)的脈沖能量。這使光纖激光器的加工能力成功地拓展至非線性領(lǐng)域，對(duì)1070 nm波長(zhǎng)高透射率的材料可以成功的進(jìn)行激光加工。這些應(yīng)用中最著名的是不同類型玻璃的激光切割，對(duì)藍(lán)寶石和陶瓷進(jìn)行切割和鉆孔，甚至切割硅材料，盡管相對(duì)較長(zhǎng)的光束加工時(shí)間可能會(huì)需要后工序處理。
鋁的焊接
在鋁的焊接應(yīng)用中，300/3000準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器（如圖6a所示），甚至是450/4500風(fēng)冷型準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器所提供的峰值功率、脈沖能量及平均功率特別適合之前采用燈泵浦Nd: YAG激光器焊接的微波組件外殼。為了獲得合適的高脈沖能量及光斑尺寸，我們通常選用芯徑為100 μm或者是200 µm的多模傳輸光纖和配有焦距為100 mm的準(zhǔn)直鏡和200 mm的聚焦鏡的焊接頭組合（如圖6b所示）。
圖6 QCW 300/3000光纖激光器（a）及焊接頭和準(zhǔn)直鏡（b）
電池的生產(chǎn)
在備受關(guān)注的能量存儲(chǔ)行業(yè)，準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器即將要大展身手。用單脈沖高速焊接電池極耳已經(jīng)有成功的應(yīng)用。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的是鋁和鋼甚至是銅和鋁之間的異種材料焊接使用激光焊接可以有兩個(gè)方法確保良好的電氣連接：
1. 采用旋轉(zhuǎn)光束技術(shù)形成螺旋形或是小口徑同心環(huán)焊縫
2. 每個(gè)電池極耳上采用多個(gè)高脈沖能量、單脈沖激光焊接
或許異種金屬材料的焊接尚未得到金屬焊接專家的認(rèn)同，但是用巧妙的設(shè)計(jì)來(lái)限制這些焊接點(diǎn)的機(jī)械負(fù)載，看起來(lái)已經(jīng)解決了其中一部分問題。
焊接掩模模板生產(chǎn)
Tannlin是最早在復(fù)雜模板切割系統(tǒng)中采用光纖激光技術(shù)的公司之一。這種集成激光模板切割機(jī)包含了電子組裝工藝中高性能模板廠商所需的同步自動(dòng)光學(xué)監(jiān)測(cè)。新型直接激光焊接多層的工藝問世，跟制作傳統(tǒng)制作SMT模板采用的影像/電化學(xué)和機(jī)械研磨的傳統(tǒng)工藝相比，更為靈活精確。
這種方式可以在選定PCB區(qū)域增加或減少焊膏和焊點(diǎn)高度，解決諸如混合元件技術(shù)、焊盤面積大，回流干擾或是共面度等多種問題。新技術(shù)的應(yīng)用，還改善了掩模與印刷板之間的襯底和打印重復(fù)性，改善了PCB板上存在的平整性問題，例如標(biāo)簽、掩模不平整和帳篷型通孔等問題。此外還實(shí)現(xiàn)了PCB板3D孔洞的同步打印。為了使這種多層打印方法成為可能，我們專門開發(fā)了一臺(tái)光纖激光傳輸設(shè)備，用一臺(tái)激光器和一套光束傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)切割和焊接兩用（如圖7所示）。很顯然，沒有任何一臺(tái)其他類型的激光器具有將高質(zhì)量切割和微焊接相結(jié)合的靈活性與穩(wěn)定性。
新型激光連接技術(shù)
紅外激光器對(duì)聚合物的焊接在人們的意料之外，人們發(fā)現(xiàn)了在小型元件例如在微流體元件中的應(yīng)用需求。在這些應(yīng)用中，傳輸光纖直徑通常遠(yuǎn)大于在進(jìn)行金屬加工時(shí)所使用的傳輸光纖直徑，因此激光光束具有聚合物焊接時(shí)所需要的平頂光特性。高亮度的光纖激光光束在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)焦距鏡片后可獲得聚合物焊接所需的較小的光斑尺寸（在聚合物焊接時(shí)）。因此工藝上允許工件垂直方向上工件形狀的變化。在其他應(yīng)用中，在工件垂直方向上的高度及與工件的距離無(wú)關(guān)時(shí)使用經(jīng)準(zhǔn)直的平行光束。
雖然這種技術(shù)剛剛起步，對(duì)使用連續(xù)（CW）模式、大直徑光纖的準(zhǔn)連續(xù)激光器進(jìn)行聚合物和金屬自身粘合在在《塑料與金屬的激光連接》中也有論述。
結(jié)論
光纖激光器眾所周知的許多良好特性，與創(chuàng)新的激光器設(shè)計(jì)和大規(guī)模自主生產(chǎn)（垂直集成）所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)一起，創(chuàng)造了另一批激光器并向更廣闊的工業(yè)激光器市場(chǎng)進(jìn)軍。
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