封離式激光激光驅動技術

封離式激光激光驅動技術

15年前，封閉式二維機械制劑進入工業(yè)市場以來，滿足了低成本、低能耗的要求，并展示了廣泛的市場前景。在輸出功率從10W到240W范圍內,大量的CO2激光器被用于雕刻、打標、切割材料,如塑料、木材、陶瓷,甚至薄金屬板。封離式CO2激光器在下列各方面使工業(yè)用戶受益,如小型化,使用壽命長(達35000小時),而且不需要精細的加工制造,可以被安裝在機器人的機械臂中,或者橋形支架機械系統(tǒng)中,并且易于集成,不需要精心地維護。流動氣體CO2激光器的輸出功率可達500瓦到幾千瓦,在每瓦一美元的計算比率基礎上與較小的射頻激勵相比較它的成本較低。這種類型激光器在航天和自動化工業(yè)中也發(fā)揮了先鋒作用。然而它們的體積、氣體消耗及正常運行所需的維護、經濟開支對大多數(shù)使用者來說都是較為突出的難題。封離式高功率CO2激光器在固定板切割技術的應用中是較為優(yōu)秀的一種器件。固定板是多層木質板疊在一起,大約0.5～1in厚,經常是5～12層,甚至更多層膠粘在一起。使用激光將這些疊在一起的薄板切割成特定的形狀,將鋒利的金屬刀片放在固定的槽縫中進行壓切。這種切割方法也適用于多種材料,如墊板、紙和塑料薄膜。采用這種方法可以很容易地在不同的材料上以較高的速度加工出各種不同形狀的薄板。模式質量很高的封離式CO2激光器由于具有功率穩(wěn)定性好的優(yōu)良特性,在切割加工中可以獲得較高的質量。在切割深度范圍內可以看到兩個平行的切割面,同時切口的寬度也是相同的。另外,封離式激光器對集成系統(tǒng)來說也是理想的選擇,只需要一小片空間,不需要激光氣體和堅固的設計。另外一些應用包括切割、焊接金屬板和塑料制品,以及大量有機材料的高速加工。1封離式2d激光器封離式CO2激光器突破500W技術難題的第一家公司是美國加州的相干公司。該公司聲稱,在1998年采用板條狀波導獲得最小輸出功率為500W。選擇81.36MHz的驅動頻率得到美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)和歐共體(CE)的支持。高氣壓和很小的電極間隙能夠獲得每單位電極面積(cm2)1W的輸出和光上升時間在50μs范圍內。盡管這種腔由于很高的輸出效率使得輸出光的模式質量不高,但是可以在腔內采用光學的方法加以改進。相干公司的500W激光器輸出光束的質量系數(shù)M2=1.5,體積約為47×11×9.5in,重量為135lb。到1999年年中,美國Synrad公司將采用分波束混合共振腔設計方案研制成600W的封離式CO2激光器。有一定角度的電極結構選擇為低階自由空間的模式振蕩,它使得輸出光束的M2=1.2。另外,5mm寬的電極間隙使得其更易于集成,并且不需要再把電極表面拋光。這樣簡化了制作過程,降低了產品的成本。較低的頻率40.68MHz是FCC工業(yè)、科研、民用標準,使得其與FCC和CE的射頻發(fā)射取得一致更加容易。缺點在于其使得光上升時間變慢,約為100μs;降低功率的輸出,每平方厘米約為0.6W。除上述的關于封離式CO2激光器的特點外,美國的RofinSinar公司研制出半封離式激光器,采用板條設計,操作介于封離式和充氣式激光器之間,典型的需要每隔幾天換氣,這種激光器的輸出功率為1kW。對其充氣首先采用真空泵清除腔內的氣體,然后再重新把一個氣瓶中的氣體充入激光腔內。對于一個有一定漏氣率、有一定彈性的大腔來說充氣是必需的。這些附屬設備導致激光器頭的尺寸為66.5×31.5×33.5in,重量890lb。近來RofinSinar公司研制出一種板條形激光器,輸出功率為3.5kW。2射頻電源的選擇與同樣輸出功率的流動氣體CO2激光器相比,封離式CO2激光器技術顯然要比其優(yōu)越。這一點是顯而易見的,但其中最主要的一個問題就是價格,目前250W的封離式CO2激光器的價格與500W流動氣體CO2激光器處于同一價位,其原因是射頻電源成本較高。CO2激光器的效率為10%～15%,許多流動氣體激光器采用高壓直流供電,這樣能達到每瓦1美元的價格,其中比較優(yōu)越的是其價格便宜和具有成熟的電源技術。然而不利因素包括脈沖直流激勵比較困難,而且高壓直流電源仍然存在一定的危險。封離式CO2激光器采用RF電源實現(xiàn)起來比較困難,因此價格要高于每瓦1美元。RF電源平均價格是直流電源的兩倍,并且主要采用真空管和固態(tài)設備。真空管盡管比三極管便宜,而且輸入阻抗范圍大,但是其壽命短而且體積大。高功率三極管提供緊湊可靠的射頻電源,可以在惡劣的環(huán)境中正常運行。在過去的幾年中,盡管射頻電源的價格在不斷的下降,價格仍然很昂貴,1kW的激光器RF電源價格要超過1萬美元。3發(fā)展低價格的rf電源對輸出功率大于500W的CO2激光器來說,封離CO2技術對較低功率同樣具有重要的價值?？梢园逊怆x式激光器看成一個發(fā)光管,簡便、可靠、可連續(xù)操作、維護方便,壽命可達35000小時。封離式CO2激光器結構緊湊,可以很容易地安裝到生產線上,以及移動的支架和機器人的機械臂上。應用包括陶瓷材料和金屬材料的加工,高速切紙,塑料焊接,還可以應用于大面積模板的切割。然而對封離式CO2激光器來說,在高功率工業(yè)激光器市場上最有前途的是開發(fā)低價格的RF電源。相干公司和Synrad公司在激光腔設計上,實現(xiàn)了1kW的輸出功率,只要能夠降低RF電源的價格,整機成本就可以大幅度降低。最有希望的是高壓RF電源金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的開發(fā)。這些低成本環(huán)氧密封的N溝道增強型MOSFET可以在300V的直流電壓下工作,工作頻率可達100MHz。典型的普遍采用那種有0.5in襯底的MOSFET可以提供兩倍于RF輸出功率,而成本只有它的二分之一。低成本的RF電源顯然要利用新型晶體管,其中具有減小電流的優(yōu)點,這對于直流電源和RF電源是相同的。幾乎所有的電子器件的尺寸和成本與目前激光器的功能和應用都是直接相關的。關于器件間的電流傳導能量損失,可以通過將工作電壓從30V變到120V將電流減小4倍,將能量損失減小16倍。這些優(yōu)點