热度 1
2000W,YAG激光器
2000W半导体激光器
一、能耗:
输出功率在2000W的灯泵浦激光器一般的会用4个双灯泵浦的聚光腔进行串联得到,一般的,单腔构成灯泵浦激光器的电-光转换效率在3%以下,而用多个腔串联组成的激光器的转换效率会低于这个数值。即使我们按照3%计算,那么2000W输出的灯泵浦固体激光器需要的电功率就是67千瓦,而这些功率最后都转化为了热能,通过水循环散发这些热能,如果按照比较高的效率来估计,那么还需要至少一半的功率也就是33千瓦的电功率来实现,也就是说,驱动这样的激光器,需要的电功率至少是100千瓦。如果是采用国内的三相电,需要的总电流就是
而我们在图一中看到的激光器仅仅是包括了上半部的激光腔部分和下半部分的电源部分,而水冷部分的体积是要远远大于这些的,还需要用于外冷机散热的空间或者将外冷防置于室外。
一般的,半导体激光器的转换效率是40%,那么在输出2000W激光功率的情况下,需要的电功率仅仅是5千瓦,需要散发的热量是3千瓦,按照和上面类似的计算我们就可以知道,一套这样的系统总的需要的电功率不过7千瓦,和一台比较大的柜式空调耗电相差不大,在一般的线路上可以直接使用。
上图中的激光器系统已经包括了所有的激光器,电源控制,冷却系统三个部分,可以看到,所有体积不过和两台洗衣机大小类似,对于场地没有特殊的需求。
二、系统集成:
灯泵浦激光器由4个激光腔串联而成,我们知道这4个激光腔的位置是经过精密调整的,不能承受震动,所以如果将该系统集成在一个加工系统中,那么就必须要考虑光的传输问题,采用硬光路,导光臂,或者光纤进行传输。
而图3所示的半导体激光器部分,只有摩托车头盔的大小,可以直接将整个激光器部分安装在机器人或者机床上,使得更加便于集成。
三、维护及运行
我们知道灯泵浦激光器需要定期换灯,一般来说,最好的灯能够连续工作的时间也不到一千小时,一般的只有几百小时,也就是说,如果这样的激光器运行两万小时,那么需要换灯的次数就是20次,而4个双灯腔组成的激光器就需要160支灯,至少。4腔串联的激光器必须要使4支YAG晶体的轴线精密的同轴,那么调节将会是严峻的问题。灯泵浦聚光腔必须采用水冷,而冷却水必须经过灯和YAG棒,那么就必须经常进行清洗。4个聚光腔,8支灯,4支晶体棒,还有4腔同轴的调节。
对于半导体激光器来说,冷却水冷却的是半导体激光器的热沉,不会经过任何发光的关键部分,那么只需要定期检查冷却水,根据维护程序更换冷却水即可。同时,由于半导体阵列的寿命一般都在20000小时以上,所以几乎没有需要更换的耗材。由于激光腔部分没有复杂的光路,即使更换阵列也没有什么额外的调节过程,维护简单方便。
下表是各种激光器运行费效对比。
四、脉冲调制
一般的此类大功率灯泵浦YAG激光器只有连续输出模式或者脉冲输出模式。
同等功率的半导体激光器不仅可以连续输出,也能够脉冲输出,频率从零到数百连续可调,脉冲宽度从1毫秒开始任意调节,占空比从0%~100%可任意调节。使得在加工工艺方面的研究能够有更多的选择。例如在激光热处理的时候有效的控制温度升降速度,在熔覆应用中控制熔覆厚度和深度等等。
和脉冲YAG相比较,半导体激光器在脉冲情况下运行时,脉冲峰值功率和连续工作时平均功率相差不大,也就是说不能提供较高的峰值功率,对于在峰焊或者深熔焊领域的应用不如脉冲YAG激光器。
五、光束
大功率灯泵浦激光器一般的是高阶模,如果是采用光纤传输,最后输出得到的往往是平顶光束。半导体激光器输出的往往是均匀的条形光斑,此类光斑在热处理、熔覆和激光清洗方面有特殊的优势,在拼缝焊接和钎焊方面,由于能够形成稳定的熔池和回火,对焊接强度的增强也能起到很好的作用。同时,针对其他不同的应用,半导体激光器经过整形,也能够得到椭圆或者圆形光斑输出。
总的来说,高功率半导体激光器的光束模式和聚焦性都不如YAG激光器,2000W的YAG激光器能够耦合进600微米的光纤,而1000W的半导体激光器只能耦合进入1000微米的光纤,更高功率的就很难采用光纤耦合。这是因为为了达到更高的功率输出,我们需要更多的半导体激光器模块来集成激光器,发光面积相应增大,出口光束直径和发散角的乘积会变得更大。
这一点使得在切割应用中,高功率半导体激光器的应用效果会低于YAG激光器,在焊接中,焊接深度也不如YAG激光器。以2000W的激光器进行比较,在同等焊缝宽度的要求下,高功率半导体能够达到4mm的焊接深度,但是YAG激光器可以到10mm左右的焊深。
但是在热处理和熔覆应用中,这种光束却有着天然的优势,在不需要对光束进行变换的情况下就能够方便的取得均匀的加工效果。
六、吸收率
下图是半导体激光器、YAG激光器、二氧化碳激光器针对各种常见金属材料的吸收率曲线:
从图中我们可以看到,针对各种金属材料,半导体激光器(808纳米)所发出的激光的吸收率均高于YAG激光器(1064纳米),远远高于二氧化碳激光器(10.6微米)。特别是针对铝、金、银、铜等金属,半导体激光器能够取得更高的加工效果。
|手机版|搜索|焦点光学|光电工程师社区 ( 鄂ICP备17021725号-1 鄂网安备42011102000821号 )
Copyright 2015 光电工程师社区 版权所有 All Rights Reserved.
申明:本站为非盈利性公益个人网站,已关闭注册功能,本站所有内容均为网络收集整理,不代表本站立场。如您对某些内容有质疑或不快,请及时联系我们处理!
© 2001-2022 光电工程师社区 网站备案号:鄂ICP备17021725号 网站公安备案号:鄂42011102000821号 Powered by Discuz! X3.2
GMT+8, 2024-12-23 08:31