高能激光技术在打标、焊接领域的应用
什么是高能激光
        自1960年梅曼（Maiman）发明世界第一台红宝石激光器以来，激光技术获得了突飞猛进的发展，在工业、科学研究、国防等方面获得了广泛应用。随着激光功率的提高，其工业应用范围也随之增大。        我们常说的高能激光要满足“三高”——高能、高光束质量、高效率，而且高能激光不仅仅是激光器的输出能量高，还要有相当高的功率。能量是可以用时间来积累的，而激光要能完成零件加工，在需要足够的能量密度的同时还要一定的功率密度。通常认为高能激光器输出的激光平均功率应大于10kW，持续时间达数秒，激光能量在数万焦以上。        网站“联合光科→技术中心→激光”目录下可以查阅关于激光的理论知识，包括激光产生的原理、各类激光器结构、激光锁模技术、激光放大技术等多种激光技术，欢迎访问交流：激光、光谐振腔、光放大、光脉冲。        这里我们不再赘述，重点来聊一聊高能激光的种类和特点，已发展和正在发展的高能激光器包括但不限于表1：
 
表1 高能激光种类和特点
类型波长优点脉冲钕玻璃激光器1.06μm位于近红外大气窗口，大气传输透过率高；波长短，衍射发散角小；储能装置大，器件效率低；虽能实现高功率，却难以做到高能量和高重复脉冲输出，发射间隔长。二氧化碳激光器10.6μm光束质量高，模式好且稳定，输出功率较大；能量转换效率高，结构简单，工艺成熟由于波长长，为了得到较小的衍射极限角，需要大发射系统。固体激光器Nd:YAG激光器1.06μm，可以选择不同激光介质得到不同的输出波长位于大气窗口内；结构紧凑、刚性好、可靠性高、寿命长；存在的问题是系统热管理和需要电能，对高能激光必须解决能源问题。半导体激光器工作介质不同波长也不同大功率半导体激光器已趋于成熟，商品化的激光器功率已达到数千瓦；光束能量分布均匀，光斑形状可以根据需要任意调节；电光转换效率高，结构紧凑，重量很轻，体积很小，便于现场应用；缺点是光束质量一般，发散度较高。自由电子激光器波长连续可调，覆盖从X光直到微波波段可以根据需要旋转输出波长；输出功率较低，但在理论上能量转换效率高，具有潜在的发展优势；需有高亮度的电子束，需要电能源大。
高能激光在焊接领域的应用
        激光焊接是把激光作为加热源，利用激光的高能量密度这个特点，通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊接处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。激光焊接系统的构成        激光焊接系统一般由激光器、光学系统、激光加工机床、保护气输送系统、控制与检测系统组成。激光器和光学系统是激光焊接系统的核心。
图1 激光焊接组成结构示意图
        激光焊接要求激光器应具有较高的额定输出功率，较宽的功率调节范围，功率缓升缓降能力，工作稳定、可靠以保证焊接质量，可用于焊接的激光器有CO2激光器、YAG激光器、LD泵浦固体激光器和半导体激光器。        光学系统主要用于控制光束质量，包括扩束系统、光束传输系统、聚焦系统。光学系统包含了多种高损伤阈值、高精度的球面镜、非球面镜、平面镜等多种透镜和反射镜。        激光焊接设备中的扩束系统采用的是多倍激光扩束镜，如2.5倍扩束镜，扩束镜通过将主光路输出的激光束进行准直、扩束后，可将原有的输出激光光斑扩大至原来的2.5倍，使光束模式更好；        经过扩束准直后的激光光束先经过导光反射镜，被反射到加工平台，再由聚焦镜片将激光束聚焦到能量最为集中的精细光束，从而瞬间达到理想的能量密度，进行焊接加工。
激光焊接发生的反应        激光焊接实质上是非透明材料与激光束相互作用的过程。从宏观的角度上看，整个过程表现为融化、吸收、气化和反射；而微观上看则是一个量子过程。将焊接根据机理进行分类可以分为热传导焊接和激光深熔焊。
图2 a.激光热传导焊接                  b.激光深熔焊
        当聚焦后的激光密度小于104~105 W/cm2时为激光热传导焊。当激光辐射到焊接材料上时，一部分激光被焊接材料所吸收并将其转化为热能量，以热传递的形式通过材料，融化焊缝并最终将焊件焊接在一起。热传导焊接的特点在于它的熔深浅和焊接速度慢，只熔化工件表面。        当聚焦后的功率密度大于106~107 W/cm2时称为激光深烙焊。大功率激光会使金属表面受到高热，瞬间产生的高温使材料表面金属发生气化而形成小孔，使得金属表面下形成孔洞，称之为匙孔，由于匙孔的形状呈细长，所以激光会在匙孔内壁发生多次反射，并被吸收，因为使得熔深增加，激光停止后，匙孔周围的溶液回流、冷却后工件便连接在一起。其特点是焊接速度快、深宽比大。 
高能激光在打标领域的应用 
        激光打标是激光在不同物体表面进行高精度标刻的技术，主要是利用高能量密度的激光照射到物体表面，通过光能导致表层物质发生化学物理变化，或灼烧掉部分物质，使物体表面形成凹槽。激光打标系统的构成        激光打标系统主要有激光器、光束控制系统。
图3 激光打标机实物图
        常见的激光打标机主要分为四种，分别是：紫外打标机、光纤激光打标机、二氧化碳激光打标机和半导体激光打标机。        光束控制系统主要包括激光振镜扫描系统和聚焦系统。激光振镜扫描系统分为X方向扫描系统和Y方向扫描系统，由伺服电机带动固定其上的激光反射镜片运动，每个伺服电机分别由计算机发出数字信号控制，从而控制激光的扫描路径，便能够在物体表面刻画出不同的图案。聚焦系统的作用是将激光束聚焦于一点，主要采用场镜即f-θ镜头，不同的f-θ镜头的焦距不同，打标效果和范围也不一样。
图4  激光打标机系统工作原理示意图
激光打标发生的反应        激光打标实质也是材料与激光相互作用的过程。这种相互作用的原理主要有“热加工”和“冷加工”两种。        “热加工”的作用效果和激光焊接过程相似，高功率激光束照射在被加工材料表面，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面温度上升，产生熔融、烧灼、蒸发等现象。        “冷加工”是具有高负荷能量的紫外光子，能够打断材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，致使材料发生非热过程破坏，打标过程不会产生热损伤副作用，因此，对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用。
 
激光光学元件
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