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又一个价值千万的机会,看你能不能抓住他——超快激光器的飞速发展

发布:2022-05-17 09:52作者:www.chylaser.com点击:680次

超快激光器,即在皮秒或亚皮秒系统中运行的脉冲激光器,在过去的三十年中已经改变了高精度激光器的制造。自 1990 年代中期以来,它们的两个特性对材料处理产生了很大影响。它们的短脉冲持续时间和相关的高峰值功率提供了一种特殊类型的烧蚀,适用于所有材料,其中等离子体中的电子在将热量传递到晶格之前被电离。实际上,这意味着激光与织物的相互作用在热量释放到材料中之前就停止了,从而实现了几乎无热量的过程。结合激光加工的典型焦距和几乎可以加工任何材料的高光功率,潜在的好处是显而易见的:每种材料的高精度微加工、小特征以及无热效应(如表面开裂或熔化)。
最初可用的激光源是复杂且昂贵的系统,因此主要限于实验室区域。工业应用不得不等到 2000 年代初,当时密集的激光器开发导致新一代紧凑耐用的适合工业使用的二极管泵浦激光器。在此期间开发了三种工业激光技术,即钣金、光纤和平板,并沿用至今。使用镱作为活性成分,它们构成了现代工业应用的基础。
随着激光技术的发展,一个价值数十亿美元的欧洲市场正在激光制造商、系统集成商、技术中心和研究机构的生态系统中出现,影响着人类活动的各个领域。在医学领域,Lasik 等视力矫正应用正迅速普及,白内障手术等新手术也在迅速跟进。高速激光修复了复杂 OLED 屏幕中的小缺陷,然后用于切割屏幕本身。今天,它们是所有现代智能手机生产中的重要组成部分。开发了创新的新标签应用,例如用于消费电子产品的B.亮黑色美学标签或在玻璃上雕刻隐形代码,以满足制药行业的可追溯性和防伪要求。激光和应用的新发展现在允许精确钻孔和切割,以及复杂的表面结构,如豪华手表制造。其他发展,例如玻璃或不同材料的微焊接或通过化学和激光蚀刻技术在玻璃上制造复杂的三维结构,已经扩大了应用领域。
通往大国之路
尽管这些应用程序不同,但它们具有共同的特征。它们需要微分辨率并且通常覆盖非常小的区域,通常只有几平方毫米。每飞秒一个脉冲非常准确地去除少量材料,导致相当有限的消融效率,在大多数情况下约为每分钟几立方毫米。因此,与此同时,消融效率的提高提高了性能,并且正如我们将看到的,可以开辟新市场。
虽然目前正在积极研究一些选项,例如 B. gigahertz 治疗,但提高消融效率的主要方法是增加平均激光功率。这可以通过增加脉冲中的能量或增加每秒的脉冲数来实现。第二,激光的重复频率。
在过去的几十年里,平均激光功率的增加一直是工业应用发展的关键因素。现代大批量制造工艺,例如切割 OLED 面板,使用功率为 10 至 100 瓦、平均脉冲能量(通常为几百微焦耳)和高重复率(通常为 10 kHz 至几兆赫)。 † 提高消融率和开辟飞秒激光治疗的新市场需要激光功率增加一个数量级。
当今工业激光器中的活性材料镱离子对高性能手术提出了特殊挑战。由于辐射的横截面很小,因此需要非常高的泵浦强度才能实现足够的放大,从而实现有效的激光效果。这可以通过将来自泵浦的二极管光束紧密聚焦到激光材料上来实现,但由于泵浦和激光器的转换效率并不完美,这意味着必须从小体积中提取大量热量。
因此,任何高功率激光技术都必须有效地从激光放大器中去除热量,同时保持足够的激光使用增益。多年来开发了三种技术方案,这些方案已被证明是严肃的。
第一种方法利用激光放大器材料的几何形状来实现有效的热回收。激光材料是一种薄的掺镱晶体,安装在高效散热器上以实现最佳去除效果。此外,激光光斑保持足够大,因此激光晶体中的温度梯度在很大程度上是单向的,从而保持了辐射的高空间质量。这种方法的另一个优点是光束的尺寸原则上可以任意大,并且可以获得大的脉冲能量。最近的研究表明,与材料处理应用中常用的数百微焦耳相比,这种方法的枪口能量处于焦耳水平。主要限制是晶体中单增益的低增益以及由于晶体厚度减小导致的泵浦吸收有限。使用多级抛物面镜模型和更复杂的激光模型的复杂泵浦装置可以部分避免这个缺点。
气体保护钨极电弧焊 (GTAW) 是制造中使用最广泛的连接技术,因为它可以控制焊接几何形状和连接特性。但是,这种方法也有局限性,例如 B. 生产率低和穿透深度低。因此,许多研究人员研究了在 TIG 焊接(称为 ATIG 焊接)中使用活性焊剂,并报告了在熔深和各种机械和冶金性能方面的显着改善。同样,许多研究人员研究了活化剂对 ATIG 焊接中焊缝熔深的影响,并阐明了引弧机制和 Marangoni 现象。
电弧固定机构中使用的活化剂在电弧柱的温度下分解,形成大量的正离子。这些离子将自由电子吸引到电弧柱中,产生电弧收缩,熔化主要金属并加深穿透。在马兰戈尼现象的机理中,药物的分解将氧化元素提供给熔池。氧含量通过改变从熔池边缘到熔池中心的表面张力梯度来改变液体流动的性质,从而导致更深的熔深。
激光冲击涂层 (LSP) 是一种成功的固化技术,可提高金属的强度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。在这种 LSP 工艺中,高能激光束撞击金属表面并产生高压等离子体,该等离子体在金属上产生冲击波并对铬施加应力。由于铬的应力,发生塑性变形,从而改善了机械和冶金性能。 Devendranath Ramkumar 等人研究了 LSP 对不均匀焊缝的拉伸强度和韧性等力学性能的影响,并报道 LSP 工艺可以提高焊缝的拉伸性能。钱德拉塞卡等人。据报道,在比较奇数焊缝和 Inconel 600 激光焊机时,激光冲压焊缝比奇数焊缝具有更好的机械性能。
从文献中可以看出,关于使用复合焊剂的金属不均匀焊接以及激光烧制对镍基高温合金和奥氏体不锈钢的不均匀焊缝的影响知之甚少。出于这个原因,这项研究工作是在 Inconel600 和 AISI 316L 板的联合上进行的,通过 ATIG 焊接与复合焊料 50% SiO2 + 50% TiO2 并用 LSP 方法硬化焊缝。此外,对无损焊接和激光切割进行了各种腐蚀、机械和冶金研究。
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