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高功率光纤耦合半导体激光器的工业应用优势概述

日期:2018-02-08 16:23:02编辑作者:申博
半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的激光器,这种激光器具有体积小、质量轻、寿命长、结构简单且坚固等特点。随着工业发展,半导体激光器激光功率已攀升至千瓦级,在激光钎焊、激光熔覆、激光金属焊接等方面均有应用并具备一定优势。
 
激光钎焊
 
激光钎焊一直是高功率半导体激光器的优势应用。虽然半导体激光器能量密度略低于光纤激光器,但其能量分布均匀,在钎焊工艺过程中钎丝熔化均匀不易产生飞溅。汽车行业的激光钎焊市场一直被半导体光纤耦合激光器统领。
 
激光熔覆
 
激光熔覆可以改善金属零件的抗磨损和抗腐蚀性。激光熔覆冷却速度快(高达106K/s),属于快速凝固过程,容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相,如非稳相、非晶态等。同时涂层稀释率低(一般小于5%),与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合,通过对激光工艺参数的调整,可以获得低稀释率的良好涂层,并且涂层成分和稀释度可控。同时,激光熔覆热输入和畸变较小,尤其是采用高功率密度快速熔覆时,变形可降低到零件的装配公差内。
 
激光金属焊接
 
高功率半导体激光器在拼焊时焊接强度高,焊缝光滑平整无需后处理效率高,广泛应用于汽车、冶金国防军工等领域。例如,凯普林公司生产的直接半导体激光器电光转换效率高达50%,预计若干年后,直接半导体激光器凭借自身高效的光电转换效率和性能特点,在焊接领域将会是光纤激光器的强有力补充。
 
 
 
凯普林2KW/600μm 产品焊接应用
 
典型的半导体激光系统,激光的光模式具有以下几个特点:
 
1)激光波长较短,一般介于8xxnm-9xxnm之间
 
2)光束能量分布为平顶型,能量分布较为均匀
 
3)可以通过不同的外光路得到不同的光斑形状
 
4)能量密度较光纤传输的光纤激光器略低
 
凯普林光电提供的1kW-3kW高功率光纤耦合半导体激光器系统,波长915nm/940nm/976nm, 300μm/400μm/600μm光纤输出,在激光热处理、激光熔覆、激光金属焊接均有应用。其产品波长较短更适合金属吸收,输出功率较高,能量密度比较高,能量分布均匀的光学特性适合金属表面的非深度加工处理的工作。激光通过光纤完成传输,和空间输出型的相比柔性度高,便于集成。
 
未来前景
 
随着半导体激光芯片技术和集成技术的持续发展,大功率半导体激光器的功率将会越来越高,光束质量也逐年改善。目前应用于激光制造的大功率半导体激光器的功率可达6kW甚至更高,光束可耦合进入芯径为0.6mm的光纤,1kW光束可耦合进入芯径为0.3mm的光纤。因此,高功率半导体激光器将作为直接能源应用于对功率密度要求较高的材料加工领域。

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