激光快速成型系統(tǒng)為何要研究新能源？

訊：現(xiàn)有激光快速成型系統(tǒng)使用的激光光源大都是氣體激光器。氣體激光器具有體積大、可靠性差、壽命短、光譜固定不可選等缺點(diǎn)，因而我們要研究新型的能量源。與氣體激光器和其他固體激光器相比，半導(dǎo)體激光器具有體積小，功耗低，壽命長(zhǎng)，光譜可選等優(yōu)點(diǎn)而成為許多領(lǐng)域如固體激光器的泵浦、激光打印、掃描、顯示、數(shù)據(jù)存取、遙感、光通信等的重要光源。而另一種國(guó)際上近來發(fā)展的可應(yīng)用于快速成型技術(shù)的激光器-光纖激光器具有散熱面積大、光束質(zhì)量好、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，也已在高精度激光加工、光通信、激光雷達(dá)系統(tǒng)、空間技術(shù)、激光醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

　　1 高功率半導(dǎo)體激光器線陣  高功率半導(dǎo)體激光器線陣是由分立的激光源經(jīng)過特殊加工方法形成一定間距的發(fā)光陣列，所發(fā)激光束經(jīng)快軸、慢軸準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后，保證在前方工作平面上形成一條一定寬度的激光束；兩排這樣的線陣交叉補(bǔ)償組合形成一連續(xù)的線陣能量源。各激光源由微機(jī)控制，其發(fā)光與否可實(shí)現(xiàn)激光束的變長(zhǎng)線。

　　1.1 微透鏡準(zhǔn)直器

　　圖 1 半導(dǎo)體激光器陣列出射光束示意圖

　　如圖1所示，高功率半導(dǎo)體激光器出射光束的發(fā)散角大，慢軸方向約為10°，快軸方向則可達(dá)40°。另外，它的發(fā)光面尺寸大，慢軸方向可達(dá)150μm甚至200μm，大于光纖端面尺寸，所以提高光纖禍合效率尤其困難。只有使用非球面透鏡將激光光束匯聚到光纖輸人端，才能提高禍合效率。德國(guó)LIMO 公司使用微柱面透鏡陣列對(duì)線陣半導(dǎo)體激光器(laser bar)進(jìn)行光纖藕合。其中快軸方向使用一條狀平凸柱面透鏡，慢軸方向使用一微柱面透鏡陣列。如圖2所示，其中1為半導(dǎo)體激光器線陣，2為快軸準(zhǔn)直器，3為慢軸準(zhǔn)直器。準(zhǔn)直后的剩余發(fā)散角可按下面公式進(jìn)行計(jì)算。

　　圖 2 準(zhǔn)直原理圖

　　tanα=d/2Somax=[d/（NA-d）]*tanθ

　　式中 ： α為準(zhǔn)直后的剩余發(fā)散角；d為激光元出射尺寸；NA為孔徑光欄直徑；Somax為微透鏡陣列到激光元出射面的最大距離；K為激光束功率下降到中心1/d2值的直徑所對(duì)應(yīng)的發(fā)散角。

　　1.2 激勵(lì)電源  采用精密大電流可調(diào)電流源與限流功率開關(guān)組成的激勵(lì)電源。要求低導(dǎo)通電阻、高響應(yīng)速度和有防浪涌限流保護(hù)。目前，商品化的半導(dǎo)體激光器線陣(激光二極管厘米條)激光元并聯(lián)連接，均由專用的大電流恒流電源供電。如OPTO POWER公司的40W半導(dǎo)體激光器線陣可用OPCPS4005電源提供高達(dá)50A的電流，但無法獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。.對(duì)于能分別驅(qū)動(dòng)的高功率半導(dǎo)體激光器線陣而言，每個(gè)激光元功率不到1W，僅需小于2A驅(qū)動(dòng)電流。國(guó)外市場(chǎng)有相應(yīng)的商品電源，如THORLAB公司的LD3000模塊，可提供最大為2.5A的恒流電流，具有保護(hù)激光器的慢啟動(dòng)功能，和外接電流控制端，線陣的每一個(gè)激光元可用一個(gè)模塊來驅(qū)動(dòng)，但成本較高。

　　2 高功率光纖激光器線陣  高功率光纖激光器線陣采用多個(gè)高功率半導(dǎo)體激光器與多排光纖耦合，再利用準(zhǔn)直鏡陣列對(duì)出射光束進(jìn)行準(zhǔn)直，保證在規(guī)定距離的作面上形成激光束線陣。

　　2.1 高功率光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)

　　1)包層泵浦技術(shù)  采用雙端非對(duì)稱泵浦作為大功率雙包層光纖激光器的泵浦方式。雙端非對(duì)稱泵浦存在最佳光纖長(zhǎng)度使輸出功率最大。當(dāng)雙端泵浦功率分別為60w和240w時(shí)，光纖長(zhǎng)度為16m時(shí)光纖輸出功率最大。另外，腔鏡對(duì)光纖輸出功率也有一定的影響，前端鏡對(duì)激光信號(hào)應(yīng)該具有很高的反射率，而輸出鏡的反射率應(yīng)越小越好。

　　2)泵浦耦合技術(shù)  采用泵浦耦合技術(shù)能有效地將半導(dǎo)體激光器泵浦耦合進(jìn)行雙包層光纖。理論計(jì)算，此種耦合方法的耦合效率可以達(dá)到90%以上。微型棱鏡耦合法對(duì)光源的光束質(zhì)量要求較低，一般的大功率半導(dǎo)體激光器陣列經(jīng)過光束整形都能滿足要求。另外，它對(duì)光纖本身幾乎沒有損耗，而且易于加工，是比較理想的雙包層光纖耦合技術(shù)。

　　3)透鏡準(zhǔn)直陣列  由于準(zhǔn)直鏡的剩余發(fā)散角與前焦距成反比，故透鏡的焦距越長(zhǎng)，剩余發(fā)散角越小。在保證光斑尺寸的情況下，可使工作距離增長(zhǎng)，這有利于工件的預(yù)熱。但焦距越長(zhǎng)，準(zhǔn)直透鏡陣列的節(jié)距越寬，減小了光能量密度及加工精度。

　　3 結(jié)論

　　1)半導(dǎo)體激光器線陣特點(diǎn)：①工作距離短，工件預(yù)熱困難；②激光器線陣散熱器設(shè)計(jì)困難；③激光器陣列加工及裝配精度要求高；④陣列激光元的一致性好；⑤激光元間距、發(fā)光面位置精度高。

　　2)光纖激光器線陣特點(diǎn)：①工作距離長(zhǎng)，工件預(yù)熱容易；②多排光纖無需散熱；③多排光纖組裝相對(duì)容易；④光纖耦合工藝復(fù)雜；⑤準(zhǔn)直微透鏡光路調(diào)整困難。