可用于激光焊的其他激光器还有CO激光器、半导体激光器、准分子激光器、光纤激光器等。
1.CO激光器
CO激光器输出波长约为5.3μm,是CO2激光输出波长的一半,发散角也为CO2激光的一半,因而被金属吸收的性能好,其他条件相同情况下,聚焦后的功率密度是CO2激光的4倍。CO激光器的效率高,总效率可达30%,并已实现了高于10kW的功率输出。其主要缺点是只能运行于低温深冷状态,因而设备成本和运行费用高。
2.半导体激光器
在这类激光器中以半导体二极管激光器最为重要,其最简单的形式是P-N结型跃迁,其工作物质为半导体,可采用简单的注入电流的方式来泵浦,当提供一个足够大的直流电压时,就可产生粒子数反转。半导体二极管激光器的主要优点是激光波长短(0.85~1.65μm),可用光纤传输,电能与光能的转换比极高,激光器体积小,其输出功率已达3kW。
3.准分子激光器
所谓准分子,是因为其在激发态为分子,而在基态则离解为原子,正因为如此,准分子激光的下能级总是空的,容易实现离子数反转,效率很高。
准分子激光的波长短、能量高,输出紫外超短脉冲激光,波长范围193~351nm,约是YAG激光波长的1/5和CO2激光波长的1/50,单光子能量比大部分分子的化学键能都要高,故能直接深入材料分子内部进行加工,其加工机理是基于光化学作用,在非放热效应下进行,因而材料变形极小。
准分子激光器的另一特点是可调谐。目前,准分子激光器的功率输出水平在实验室已达千瓦级。
4.光纤激光器
(1)概述光纤激光器是近年来发展迅猛的一种新型激光器,它以掺杂稀土元素的光纤作为放大器。光纤激光器中的光纤纤芯很细,在泵浦光的作用下极易形成激光工作物质的能级粒子数反转。再适当加入正反馈回路构成谐振腔,即可形成激光振荡。
一个端面(纵向)泵浦的光纤激光器的基本结构如图20-13所示。光纤放置在两个反射率经过选择的腔镜之问,泵浦光从左边腔镜进入,激光从另一端输出。光纤激光器实际上是一个波长转换器,在泵浦波长上的光子被介质吸收,形成粒子数反转,最后在掺杂光纤介质中产生受激发射而输出另一种波长的激光。
按激光输出的时域特性,可分为连续激光器和脉冲激光器;按频域特性,可为单波长、单纵模、多纵模以及多波长光纤激光器。
图20-13 纵向泵浦光纤激光器的基本结构(www.daowen.com)
(2)光纤激光器特点光纤激光器作为第三代激光技术的代表,其主要特点是:
1)光束质量高,具有非常好的单色性、方向性和稳定性。
2)光纤激光器的成本低。
3)纤芯直径小,可以在纤芯层产生相当的功率密度,具有极低的体积面积比,散热快、损耗低,激光阈值低,运行成本低。
4)温度稳定性好,工作物质热负荷小,无须冷却系统。
5)结构简单,减小了对块状光学元件的需求和光路机械调整的麻烦,加之光纤具有极好的柔绕性,简化了光纤激光器的设计及制作,维护方便。
6)能胜任恶劣的工作环境,对灰尘、振荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。
(3)光纤激光器的工作原理光纤激光器和其他激光器一样,也包含工作介质、光学谐振腔和泵浦源三部分。光纤激光器一般采用光泵浦方式,泵浦光被耦合进光纤,泵浦波长上的光子被介质吸收,形成粒子数反转,最后在光纤介质中产生受激辐射而输出激光。光纤激光器的谐振腔一般由两平面反射镜组成,谐振腔的腔镜可直接镀在光纤断面上,也可以采用光纤耦合器、光纤圈等。
光纤激光器同样有三能级系统和四能级系统。三能级系统在光纤激光器中比较常见。下面讨论三能级系统的结构特性。图20-14所示为掺饵光纤激光器的三能级系统激光能级图。
图20-14 掺饵光纤激光器的三激光系统
激光工作的下能级是激态,在发射带中还存在着信号的吸收,这是三能级系统的一个特点。这种自吸收必须在获得增益前被抵消,也就是说三能级系统与四能级系统相比需要更强的泵浦功率,因此四能级系统中激光的下能级的粒子数是零。
在泵浦过程中,外来泵浦源使粒子由能级1向能级3跃迁,由能级3向能级1存在自发跃迁,由能级3向能级2为无辐射跃迁,从能级2向能级1跃迁时产生激光。
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