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又一個價值千萬的機會,看你能不能抓住他——超快激光器的飛速發展

發布:2022-05-17 09:52作者:www.yattendonparish.com點擊:655次

超快激光器,即在皮秒或亞皮秒系統中運行的脈沖激光器,在過去的三十年中已經改變了高精度激光器的制造。自 1990 年代中期以來,它們的兩個特性對材料處理產生了很大影響。它們的短脈沖持續時間和相關的高峰值功率提供了一種特殊類型的燒蝕,適用于所有材料,其中等離子體中的電子在將熱量傳遞到晶格之前被電離。實際上,這意味著激光與織物的相互作用在熱量釋放到材料中之前就停止了,從而實現了幾乎無熱量的過程。結合激光加工的典型焦距和幾乎可以加工任何材料的高光功率,潛在的好處是顯而易見的:每種材料的高精度微加工、小特征以及無熱效應(如表面開裂或熔化)。
最初可用的激光源是復雜且昂貴的系統,因此主要限于實驗室區域。工業應用不得不等到 2000 年代初,當時密集的激光器開發導致新一代緊湊耐用的適合工業使用的二極管泵浦激光器。在此期間開發了三種工業激光技術,即鈑金、光纖和平板,并沿用至今。使用鐿作為活性成分,它們構成了現代工業應用的基礎。
隨著激光技術的發展,一個價值數十億美元的歐洲市場正在激光制造商、系統集成商、技術中心和研究機構的生態系統中出現,影響著人類活動的各個領域。在醫學領域,Lasik 等視力矯正應用正迅速普及,白內障手術等新手術也在迅速跟進。高速激光修復了復雜 OLED 屏幕中的小缺陷,然后用于切割屏幕本身。今天,它們是所有現代智能手機生產中的重要組成部分。開發了創新的新標簽應用,例如用于消費電子產品的B.亮黑色美學標簽或在玻璃上雕刻隱形代碼,以滿足制藥行業的可追溯性和防偽要求。激光和應用的新發展現在允許精確鉆孔和切割,以及復雜的表面結構,如豪華手表制造。其他發展,例如玻璃或不同材料的微焊接或通過化學和激光蝕刻技術在玻璃上制造復雜的三維結構,已經擴大了應用領域。
通往大國之路
盡管這些應用程序不同,但它們具有共同的特征。它們需要微分辨率并且通常覆蓋非常小的區域,通常只有幾平方毫米。每飛秒一個脈沖非常準確地去除少量材料,導致相當有限的消融效率,在大多數情況下約為每分鐘幾立方毫米。因此,與此同時,消融效率的提高提高了性能,并且正如我們將看到的,可以開辟新市場。
雖然目前正在積極研究一些選項,例如 B. gigahertz 治療,但提高消融效率的主要方法是增加平均激光功率。這可以通過增加脈沖中的能量或增加每秒的脈沖數來實現。第二,激光的重復頻率。
在過去的幾十年里,平均激光功率的增加一直是工業應用發展的關鍵因素?,F代大批量制造工藝,例如切割 OLED 面板,使用功率為 10 至 100 瓦、平均脈沖能量(通常為幾百微焦耳)和高重復率(通常為 10 kHz 至幾兆赫)。 ? 提高消融率和開辟飛秒激光治療的新市場需要激光功率增加一個數量級。
當今工業激光器中的活性材料鐿離子對高性能手術提出了特殊挑戰。由于輻射的橫截面很小,因此需要非常高的泵浦強度才能實現足夠的放大,從而實現有效的激光效果。這可以通過將來自泵浦的二極管光束緊密聚焦到激光材料上來實現,但由于泵浦和激光器的轉換效率并不完美,這意味著必須從小體積中提取大量熱量。
因此,任何高功率激光技術都必須有效地從激光放大器中去除熱量,同時保持足夠的激光使用增益。多年來開發了三種技術方案,這些方案已被證明是嚴肅的。
第一種方法利用激光放大器材料的幾何形狀來實現有效的熱回收。激光材料是一種薄的摻鐿晶體,安裝在高效散熱器上以實現最佳去除效果。此外,激光光斑保持足夠大,因此激光晶體中的溫度梯度在很大程度上是單向的,從而保持了輻射的高空間質量。這種方法的另一個優點是光束的尺寸原則上可以任意大,并且可以獲得大的脈沖能量。最近的研究表明,與材料處理應用中常用的數百微焦耳相比,這種方法的槍口能量處于焦耳水平。主要限制是晶體中單增益的低增益以及由于晶體厚度減小導致的泵浦吸收有限。使用多級拋物面鏡模型和更復雜的激光模型的復雜泵浦裝置可以部分避免這個缺點。
氣體保護鎢極電弧焊 (GTAW) 是制造中使用最廣泛的連接技術,因為它可以控制焊接幾何形狀和連接特性。但是,這種方法也有局限性,例如 B. 生產率低和穿透深度低。因此,許多研究人員研究了在 TIG 焊接(稱為 ATIG 焊接)中使用活性焊劑,并報告了在熔深和各種機械和冶金性能方面的顯著改善。同樣,許多研究人員研究了活化劑對 ATIG 焊接中焊縫熔深的影響,并闡明了引弧機制和 Marangoni 現象。
電弧固定機構中使用的活化劑在電弧柱的溫度下分解,形成大量的正離子。這些離子將自由電子吸引到電弧柱中,產生電弧收縮,熔化主要金屬并加深穿透。在馬蘭戈尼現象的機理中,藥物的分解將氧化元素提供給熔池。氧含量通過改變從熔池邊緣到熔池中心的表面張力梯度來改變液體流動的性質,從而導致更深的熔深。
激光沖擊涂層 (LSP) 是一種成功的固化技術,可提高金屬的強度、耐磨性和耐腐蝕性等性能。在這種 LSP 工藝中,高能激光束撞擊金屬表面并產生高壓等離子體,該等離子體在金屬上產生沖擊波并對鉻施加應力。由于鉻的應力,發生塑性變形,從而改善了機械和冶金性能。 Devendranath Ramkumar 等人研究了 LSP 對不均勻焊縫的拉伸強度和韌性等力學性能的影響,并報道 LSP 工藝可以提高焊縫的拉伸性能。錢德拉塞卡等人。據報道,在比較奇數焊縫和 Inconel 600 激光焊機時,激光沖壓焊縫比奇數焊縫具有更好的機械性能。
從文獻中可以看出,關于使用復合焊劑的金屬不均勻焊接以及激光燒制對鎳基高溫合金和奧氏體不銹鋼的不均勻焊縫的影響知之甚少。出于這個原因,這項研究工作是在 Inconel600 和 AISI 316L 板的聯合上進行的,通過 ATIG 焊接與復合焊料 50% SiO2 + 50% TiO2 并用 LSP 方法硬化焊縫。此外,對無損焊接和激光切割進行了各種腐蝕、機械和冶金研究。
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