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一文讀懂數字化光纖激光器
2023年10月17日
一、數字化光纖激光器概念
一個激光脈沖主要有三個參數：峰值功率、脈沖能量、脈沖時間波形。在激光與材料相互作用時，峰值功率密度決定材料的物理狀態（如加熱、熔化、氣化、等離子態等）；能量密度決定材料處在哪種物理狀態的質量有多少；脈沖波形決定材料的升溫、保溫、降溫的速率。
在華中科技大學相關團隊指導下，鞍山華科大激光科技有限公司研制的數字化光纖激光器是采用高功率激光調制器和高光束質量光纖激光器相結合，使激光輸出的峰值功率、脈沖能量、脈沖波形精密可控的一種新型激光器。（如圖1所示）
二、主要技術指標
最大輸出平均功率：3kw，
光束質量：M2≤1.5，
最大調制脈沖頻率：1MHz，
輸出脈沖波形：任意（由控制信號脈沖波形決定），
具備脈沖串輸出功能。
（如圖2所示）
三、應用
1. 激光微熔二維碼標記
將數字化光纖激光器的脈沖能量和峰值功率精密控制，并將脈沖波形設為正弦波，可在碳鋼板上獲得一致性好的微熔凸點，由這些微熔凸點構成點陣二維碼。此標記技術可替代激光深度標刻，廣泛應用在中厚鋼板或大型零件的數據追溯中，也可應用到盲文的制作中。
2. 激光巖板切割
將數字化光纖激光器的脈沖能量和峰值功率精密控制，并將脈沖波形設為方波，控制好脈沖重復頻率，即可切割巖板。
3.氧化鋁、氮化鋁陶瓷打孔、切割、劃線
圖6 數字化光纖激光器對氧化鋁陶瓷的打孔、切割
4. 薄金屬板激光精密焊接、打孔、切割
數字化光纖激光器可在控制激光脈沖能量時，保持激光脈沖的峰值功率不變，也可在改變激光脈沖峰值功率時，保持激光脈沖能量不變，優于市場上的QCW脈沖光纖激光器；在高頻調制時，調制脈沖的上升沿、下降沿和調制頻率等，均優于連續激光器的調制功能。因而，現有基于脈沖或連續光纖激光器的激光精密焊接、打孔、切割等應用，都可采用數字化光纖激光器，以獲得更好的加工質量、效率和成品率。
5. 激光增材制造
利用數字化光纖激光器輸出波形任意可控的特點，對激光增材制造過程中瞬時溫度場特別是冷卻溫度梯度的精確控制，減少微裂紋萌生及實現對復雜形狀零件顯微組織均勻穩定性的調控，可解決高溫合金增材制造中微裂紋萌生及顯微組織穩定性控制等難題，提升激光增材制造用高端裝備開發的技術水平。
總之，數字化光纖激光器在波形控制、能量控制、峰值功率控制等方面都優于現有的連續光纖激光器的電源控制和QCW脈沖光纖激光器，在激光精密打孔、標記、焊接、3D打印中有廣泛的應用。
一個激光脈沖主要有三個參數：峰值功率、脈沖能量、脈沖時間波形。在激光與材料相互作用時，峰值功率密度決定材料的物理狀態（如加熱、熔化、氣化、等離子態等）；能量密度決定材料處在哪種物理狀態的質量有多少；脈沖波形決定材料的升溫、保溫、降溫的速率。
在華中科技大學相關團隊指導下，鞍山華科大激光科技有限公司研制的數字化光纖激光器是采用高功率激光調制器和高光束質量光纖激光器相結合，使激光輸出的峰值功率、脈沖能量、脈沖波形精密可控的一種新型激光器。（如圖1所示）
圖 1 數字化光纖激光器原理圖
二、主要技術指標
最大輸出平均功率：3kw，
光束質量：M2≤1.5，
最大調制脈沖頻率：1MHz，
輸出脈沖波形：任意（由控制信號脈沖波形決定），
具備脈沖串輸出功能。
（如圖2所示）
圖 2 數字化光纖激光器輸出特性
三、應用
1. 激光微熔二維碼標記
將數字化光纖激光器的脈沖能量和峰值功率精密控制，并將脈沖波形設為正弦波，可在碳鋼板上獲得一致性好的微熔凸點，由這些微熔凸點構成點陣二維碼。此標記技術可替代激光深度標刻，廣泛應用在中厚鋼板或大型零件的數據追溯中，也可應用到盲文的制作中。
圖3 數字化光纖激光器微熔凸點
圖4 數字化光纖激光器微熔凸點二維碼標記
2. 激光巖板切割
將數字化光纖激光器的脈沖能量和峰值功率精密控制，并將脈沖波形設為方波，控制好脈沖重復頻率，即可切割巖板。
圖5 數字化光纖激光器切割的巖板
3.氧化鋁、氮化鋁陶瓷打孔、切割、劃線
圖6 數字化光纖激光器對氧化鋁陶瓷的打孔、切割
4. 薄金屬板激光精密焊接、打孔、切割
數字化光纖激光器可在控制激光脈沖能量時，保持激光脈沖的峰值功率不變，也可在改變激光脈沖峰值功率時，保持激光脈沖能量不變，優于市場上的QCW脈沖光纖激光器；在高頻調制時，調制脈沖的上升沿、下降沿和調制頻率等，均優于連續激光器的調制功能。因而，現有基于脈沖或連續光纖激光器的激光精密焊接、打孔、切割等應用，都可采用數字化光纖激光器，以獲得更好的加工質量、效率和成品率。
5. 激光增材制造
利用數字化光纖激光器輸出波形任意可控的特點，對激光增材制造過程中瞬時溫度場特別是冷卻溫度梯度的精確控制，減少微裂紋萌生及實現對復雜形狀零件顯微組織均勻穩定性的調控，可解決高溫合金增材制造中微裂紋萌生及顯微組織穩定性控制等難題，提升激光增材制造用高端裝備開發的技術水平。
總之，數字化光纖激光器在波形控制、能量控制、峰值功率控制等方面都優于現有的連續光纖激光器的電源控制和QCW脈沖光纖激光器，在激光精密打孔、標記、焊接、3D打印中有廣泛的應用。
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