激光行業分析
發布人:新特光電 時間:2020-03-16 關注:

激光器的原理

激光器由泵浦源、具有亞穩態能級的增益介質、諧振腔等元件組成。以半導體泵浦光纖激光器為例,激光器產生激光的具體過程可以詳細拆分為以下五步:

第一步,導入泵浦光,半導體激光器作為激光器泵浦源發射具有一定線寬的泵浦光,通過合束器后進入光纖;

第二步,給增益介質賦能,增益光纖吸收特定波長的泵浦光從而使得粒子向上發生能級躍遷達到亞穩態;

第三步,自發輻射形成光子,亞穩定狀態粒子自發向下躍遷釋放能量,產生方向和相位各異的光子;

第四步,受激輻射實現光放大,沿軸線運動的光子可以在反射鏡(光柵)之間來回往復運動(非沿軸線光子很快逸出),而光子每次遇到增益介質的高能(亞穩態)粒子時都能令增益介質粒子釋放能量產生同質光子,從而達到光放大效果;

第五步,激光輸出,達到一定要求后實現連續或者脈沖形式的激光輸出。

激光器的分類

激光器較為常見的分類有四種,即按增益介質、輸出功率、工作方式和脈沖寬度區分。

按照增益介質:激光器的增益介質包括氣體、液體和固體,特定增益介質決定了激光波長、輸出功率和應用領域。氣體中具有代表性的是CO2氣體激光器,固體中具有代表性的包括紅寶石激光器、半導體激光器、光纖激光器和YAG 激光器等。

按照輸出功率:可以分為小功率(0-100W)、中功率(100-1KW)、高功率(1KW 以上);但有時也將100-1.5KW 范圍內定義為中功率。不同功率的激光器適應的應用場景不同。

按工作方式:可分為連續激光器和脈沖激光器。連續激光器可以在較長一段時間內連續輸出,工作穩定、熱效應高。脈沖激光器以脈沖形式輸出,主要特點是峰值功率高、熱效應小;根據脈沖時間長度,脈沖激光器可進一步分為毫秒、微秒、納秒、皮秒和飛秒,一般而言,脈沖時間越短,單一脈沖能量越高、脈沖寬度越窄、加工精度越高。

按輸出波長:可分為紅外激光器、可見光激光器、紫外激光器等。不同結構的物質可吸收的光波長范圍不同,例如金屬對近紅外光吸收率較高。

光纖激光器用于材料加工優勢突出

光纖激光器推動激光加工方式朝廣度和深度發展。在傳統領域,大功率激光器促進激光設備對航空航天、交通運輸等高端裝備在切割、焊接、打標等環節的滲透。在新興領域,光纖激光器拓寬了激光加工深度,形成增量市場,主要包括在消費電子、光伏、鋰電池、半導體等領域的精密加工。

從技術角度來看,光纖激光器相比其他激光器優勢突出。光纖激光器用于加工的技術優勢體現在:1)光束質量好,容易達到大功率。2)光纖表面積大,散熱好。3)光路完全封閉,穩定性較好,壽命長且維護較少。4)體積小,可實現柔性傳輸。5)波長在700nm-2000nm的范圍內,在材料加工領域具有適用性更廣。

從成本角度來看,光纖激光器性價比優勢極高,以CO2激光器作為對比:

1)光纖激光器由于光束質量高,材料吸收率高,所以加工速度更快,以薄板切割為例,光纖激光切割速度可達到同等功率CO2激光切割的2-3倍;

2)光纖激光器的電光轉化率高達30%以上,工作耗電低,而CO2激光的光路完全依靠反射鏡傳播,光路衰減快,能量損失較多,電光轉化率在10%以下;

3)光纖激光器結構簡單穩定,外光路免維護,平均無故障時間超過10萬小時,基本無耗材。CO2激光系統結構復雜,反射鏡和諧振腔需定期維護,渦輪機軸承更換費用昂貴,維護成本高。

取市場上的千瓦級工業激光器的主要性能參數對比,相對于其他激光器,光纖激光器具有輸出激光光束質量好、能量密度高、電光效率高、使用方便、可加工材料范圍廣、綜合運行成本低等技術性能和經濟性能等方面的優勢,因此廣泛應用于雕刻/打標、切割/鉆孔、熔覆/焊接、表面處理、快速成形等材料加工和光通信等領域,被譽為“第三代激光”,具有廣闊的應用前景。

激光器位于激光產業鏈中樞位置,中國已成為全球規模最大、增速最快的激光器市場。激光器是終端激光設備的核心光學部件,位于全產業鏈的中樞位置。同時,從成本角度來看,激光器成本約占設備總成本的30%-50%,為激光設備價值量最高的核心部件。

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