大功率半導(dǎo)體激光器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著半導(dǎo)體芯片技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的輸出功率不斷提高，光束質(zhì)量得到明顯改善，在工業(yè)領(lǐng)域也獲得了更多應(yīng)用。目前，工業(yè)用大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率和光束質(zhì)量均已超過(guò)了燈泵浦YAG激光器，并已接近半導(dǎo)體泵浦YAG激光器。半導(dǎo)體激光器已經(jīng)逐漸應(yīng)用于塑料焊接、熔覆與合金化、表面熱處理、金屬焊接等方面，并且也在打標(biāo)、切割等方面取得了一些應(yīng)用進(jìn)展。

（1）激光塑料焊接

半導(dǎo)體激光器的光束為平頂波光束，橫截面光強(qiáng)空間分布比較均勻。與YAG激光器的光束相比，半導(dǎo)體激光器的光束在塑料焊接應(yīng)用中，可以獲得較好的焊縫一致性和焊接質(zhì)量，并且能進(jìn)行寬縫焊接。塑料焊接應(yīng)用對(duì)半導(dǎo)體激光器的功率要求不高，一般為50～700W，光束質(zhì)量小于100mm/mrad，光斑大小為0.5～5mm。用這種技術(shù)焊接不會(huì)破壞工件表面，局部加熱降低了塑料零件上的熱應(yīng)力，能避免破壞嵌入的電子組件，也較好地避免了塑料熔化。通過(guò)優(yōu)化原料和顏料，激光塑料焊接能夠獲得不同的合成顏色。目前，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)廣泛用于焊接密封容器、電子組件外殼、汽車零件和異種塑料等組件。

（2）激光熔覆與表面熱處理

對(duì)耐磨性及耐腐蝕性要求較高的金屬零件進(jìn)行表面熱處理或局部熔覆，是半導(dǎo)體激光器在加工中的一個(gè)重要應(yīng)用。國(guó)際上用于激光熔覆與表面熱處理的半導(dǎo)體激光器的功率為1～6kW，光束質(zhì)量為100～400mm/mrad，光斑大小為2×2mm2～3×3mm2或1×5mm2。與其他激光器相比，用半導(dǎo)體激光器光束進(jìn)行熔覆與表面熱處理的優(yōu)勢(shì)在于其電光效率高、材料吸收率高、使用維護(hù)費(fèi)用低、光斑形狀為矩形、光強(qiáng)分布均勻等。目前，半導(dǎo)體激光熔覆與表面熱處理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金、鋼鐵、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域，成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一。

（3）激光金屬焊接

大功率半導(dǎo)體激光器在金屬焊接方面有許多應(yīng)用，應(yīng)用范圍從汽車工業(yè)精密點(diǎn)焊到生產(chǎn)資料的熱傳導(dǎo)焊接、管道的軸向焊接，其焊縫質(zhì)量好，無(wú)需后序處理。用于薄片金屬焊接的半導(dǎo)體激光器要求其功率為300～3000W，光束質(zhì)量為 40～150mm/mrad，光斑大小為0.4～1.5mm，焊接材料的厚度為0.1～2.5mm。由于熱量輸入低，零件的扭曲變形保持在最小程度。大功率半導(dǎo)體激光器可進(jìn)行高速焊接，焊縫光滑美觀，在焊接過(guò)程及焊接前后節(jié)省勞動(dòng)力方面具有特殊優(yōu)勢(shì)，非常適合工業(yè)焊接的不同需要，它將逐漸取代傳統(tǒng)的焊接方法。

（4）激光打標(biāo)

激光打標(biāo)技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。但是隨著半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量的改善，半導(dǎo)體激光器打標(biāo)機(jī)已開(kāi)始應(yīng)用于打標(biāo)領(lǐng)域。德國(guó)LIMO公司已推出了光束質(zhì)量達(dá)5mm/mrad的50W直接輸出半導(dǎo)體激光器，以及50μm光纖耦合輸出的25W半導(dǎo)體激光器，這已經(jīng)達(dá)到了打標(biāo)應(yīng)用對(duì)激光器的輸出功率和光束質(zhì)量的要求。

（5）激光切割

大功率半導(dǎo)體激光在切割領(lǐng)域的應(yīng)用起步較晚。在德國(guó)教育研究部“模塊式半導(dǎo)體激光系統(tǒng)”（MDS）計(jì)劃的支持下，德國(guó)夫瑯和費(fèi)研究所于2001年研制出功率為800W的半導(dǎo)體激光切割機(jī)，可切割10mm厚的鋼板，切割速度為0.4m/min。

審核編輯 黃昊宇