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    光纖激光器輸出準直光斑直徑的含義與選擇

    光纖激光器輸出準直光斑直徑的含義與選擇

    • 分類:工藝應用
    • 作者:
    • 來源:
    • 發布時間:2022-04-16
    • 訪問量:0

    【概要描述】光纖激光器的輸出頭規格跟隨激光器的工作體制和功率等級各不相同,對大功率連續激光器,主要采用QBH接頭,低功率連續激光器,有些采用自帶準直的QCS接頭,對脈沖激光器多采用準直隔離器接頭,對低功率直接半導體激光器經常采用D80接頭。

    光纖激光器輸出準直光斑直徑的含義與選擇

    【概要描述】光纖激光器的輸出頭規格跟隨激光器的工作體制和功率等級各不相同,對大功率連續激光器,主要采用QBH接頭,低功率連續激光器,有些采用自帶準直的QCS接頭,對脈沖激光器多采用準直隔離器接頭,對低功率直接半導體激光器經常采用D80接頭。

    • 分類:工藝應用
    • 作者:
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    • 發布時間:2022-04-16
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    光纖激光器的輸出頭規格跟隨激光器的工作體制和功率等級各不相同,對大功率連續激光器,主要采用QBH接頭,低功率連續激光器,有些采用自帶準直的QCS接頭,對脈沖激光器多采用準直隔離器接頭,對低功率直接半導體激光器經常采用D80接頭。

    無論采用哪種接頭規格,激光器輸出的光束作用于靶材之前都要經過準直和聚焦過程。準直光斑的尺寸往往會直接影響聚焦光斑的尺寸,進一步影響聚焦功率密度和工藝效果。以脈沖光纖激光器為例,通常采用準直隔離器輸出,輸出光斑的直徑一般在6mm~9mm范圍內。準直光斑直徑具體什么含義?以及光斑直徑對后續聚焦光斑形態的影響如何?本文嘗試做一些簡易的梳理。

    光束質量高的光纖激光器輸出的輸出光斑接近高斯型分布,其光強分布用如下公式表示

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    其中I0表示中心光強,w表示光強下降到峰值1/e2(峰值的13.5%)的位置的半徑。r表示距離光斑圓心的距離(半徑)。對任意光束分布,有幾種光束直徑的定義方式,例如:

    (1)1/e2直徑,以光強降至峰值的1/e2位置的直徑作為光束直徑;

    (2)半高全寬(FWHM)直徑,以峰值的1/2位置的直徑作為光束直徑;

    (3)86%環圍功率直徑,以總功率占比86%的直徑作為光束直徑;

    (4)4σ法直徑;

    (5)有效光斑直徑。

    對高斯光束以半徑軸做積分,得到功率比例的變化曲線如圖1所示。不同意義下的光斑直徑D與高斯光束特征半徑w之間的比值如圖1所示,可見D/w = 2時對應的環圍功率占比為86%,工業激光器通常采用86%的環圍功率占比來確定光斑尺寸。

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    圖1 高斯光斑環圍功率占比隨D/w的變化

    準直后的光斑還需要經過振鏡和場鏡最后作用于靶材表面。波長為λ和光束質量為M2的激光,光束經準直為直徑為D的光斑后經過焦距為f的場鏡聚焦,則焦點位置的光斑直徑為

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    在典型的準直光斑直徑和場鏡焦距參數下計算焦斑直徑如圖2所示??梢?,光束質量越差,場鏡焦距越大,焦斑的尺寸也越大。典型的光斑直徑范圍在30um到300um之間,焦點位置的激光功率密度相差100倍,根據不同的材料和工藝要求需要匹配合適的激光器和場鏡參數配置。

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    圖2 不同光束質量和場鏡焦距參數下的聚焦光斑直徑

     

    在通常的焊接和標記領域,輸出準直隔離器一般采用7mm的標準光斑直徑,適配10mm的振鏡鏡片,可以以較高的性價比完成普通的工藝要求。光至科技在深入了解行業應用和客戶痛點的基礎上,針對一些要求較高的工藝,推出了基于10mm光斑的高光束質量的GMZ系列MOPA脈沖激光器機型,能夠大幅提高氧化鋁打黑速度和焊接良率。針對浮銹清洗或者錫球焊的應用,也經常采用4mm~5mm左右的準直光斑。

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    圖3 光至科技200W GMZ系列MOPA脈沖激光器

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