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04/02/2019

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激光加工技术被公认为“未来制造系统的共同加工手段”

        激光加工技术是一种新型的绿色先进制造技术,相比传统机械加工具备明显优势,其加工方式以非接触方式进行,加工过程能耗低、环保效益高、加工速度快、低噪音、热影响小、适应性强,可加工超高硬度、高脆性、高熔点材料,并可实现自动控制,在精密加工、复杂结构加工、批量自动化生产等领域具备明显优势,被公认为“未来制造系统的共同加工手段”。

        二氧化碳激光器,可称“隐身人”,因为它发出的激光波长为10.6 微米,“身”处红外区,肉眼不能觉察,它的工作方式有连续、脉冲两种。连续方式产生的激光功率可达20 千瓦以上。脉冲方式产生波长10.6 微米的激光也是最强大的一种激光。人们已用它来“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展,也是光武器和核聚变研究中的重大成果。

        二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。放电管通常是由玻璃或石英材料制成,里面充以CO2气体和其他辅助气体(主要是氦气和氮气,一般还有少量的氢或氙气);电极一般是镍制空心圆筒;谐振腔的一端是镀金的全反射镜,另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。当在电极上加高电压(一般是直流的或低频交流的),放电管中产生辉光放电,锗镜一端就有激光输出,其波长为10.6微米附近的中红外波段;一般较好的管子。一米长左右的放电区可得到连续输出功率40~60瓦。CO2激光器是一种比较重要的气体激光器。这是因为它具有一些比较突出的优点:

        1、它有比较大的功率和比较高的能量转换效率。一般的闭管CO2激光器可有几十瓦的连续输出功率,这远远超过了其他的气体激光器,横向流动式的电激励CO2激光器则可有几十万瓦的连续输出。此外横向大气压CO2激光器,从脉冲输出的能量和功率上也都达到了较高水平,可与固体激光器媲美。CO2激光器的能量转换效率可达30~40%,这也超过了一般的气体激光器。

        2、它是利用CO2分子的振动-转动能级间的跃迁的,有比较丰富的谱线,在10微米附近有几十条谱线的激光输出。近年来发现的高气压CO2激光器,甚至可做到从9~10微米间连续可调谐的输出。

        3、它的输出波段正好是大气窗口(即大气对这个波长的透过率较高)。除此之外,它也具有输出光束的光学质量高,相干性好,线宽窄,工作稳定等优点。因此它在国民经济和国防上都有许多应用,如应用于加工(焊接、切割、打孔等),通讯、雷达、化学分析,激光诱发化学反应,外科手术等方面。

        因为二氧化碳激光器能达到的功率非常高,经常用来做工业的切割机,而低功率的激光器常常用来雕刻。此外,由于水在二氧化碳激光器的发光频率极容易挥发,因此也常常被用来做激光嫩肤,磨皮等激光手术。

        相较于二氧化碳激光器,光纤激光器具有温度稳定性好、光电转换效率高、光束质量好以及成本较低等优点,因此光纤激光器在全球范围内的金属切割、焊接和标记等工业制造领域中已被大规模应用。2013年以及2017年全球光纤激光器销售收入分别为8.41亿美元以及20.39亿美元,年均复合增长率为24.78%。

        随着光纤激光器的技术进步以及应用范围的不断外延,下游企业的强劲需求将支撑光纤激光器行业的持续发展。然而由于二氧化碳激光器更早被应用、技术更为成熟,且在金属加工领域具有一定优势,预计短期内无法完全被光纤激光器替代。

 

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