試析高功率半導(dǎo)體激光器在金屬材料加工中的應(yīng)用

杜晶晶 徐媛 于培清

[摘 要]高功率半導(dǎo)體激光器具有體積小以及重量低的優(yōu)勢(shì)，能源的消耗量很少，容易對(duì)光斑進(jìn)行調(diào)節(jié)處理，光電的轉(zhuǎn)換效果較高，被廣泛地應(yīng)用在金屬材料焊接加工、表面變相硬化加工與表面熔覆加工中，有助于針對(duì)不同型號(hào)的合金鋼進(jìn)行連續(xù)的焊接處理，形成面積較大并且深度較為均勻的相變硬化層，準(zhǔn)確針對(duì)熔覆層相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，具有良好的應(yīng)用作用。

[關(guān)鍵詞]高功率半導(dǎo)體激光器;金屬材料;加工應(yīng)用

[中圖分類(lèi)號(hào)]TN248.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

在金屬材料加工發(fā)展的過(guò)程中，高功率半導(dǎo)體激光器受到了廣泛的重視，合理采用相關(guān)技術(shù)，有助于提升金屬材料的加工效果與水平，充分發(fā)揮各方面工作的積極作用，為其后續(xù)發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。

1 背景分析

激光屬于人類(lèi)在原子能方面、電子計(jì)算機(jī)方面與半導(dǎo)體方面的又一重大發(fā)明，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)開(kāi)始從同質(zhì)結(jié)以及異質(zhì)結(jié)轉(zhuǎn)變成為量子阱設(shè)備。自從上個(gè)世紀(jì)八十年代開(kāi)始，分子束外延與金屬有機(jī)化合物氣相外延技術(shù)等開(kāi)始成熟，量子阱類(lèi)型的半導(dǎo)體激光器已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用到電子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域與通訊領(lǐng)域當(dāng)中，發(fā)展趨勢(shì)很好。但是，由于半導(dǎo)體激光器在實(shí)際應(yīng)用期間，輸出的功率很小，不適合應(yīng)用在材料的加工環(huán)節(jié)中。而在半導(dǎo)體激光器冷卻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出來(lái)以后，其輸出的功率有所增加，尤其在芯片集成與微通道熱沉等相關(guān)技術(shù)出現(xiàn)之后，系統(tǒng)的輸出功率得到顯著提升，到上個(gè)世紀(jì)九十年代，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用在金屬材料的加工工作中，與傳統(tǒng)激光器相較，大功率的半導(dǎo)體激光器設(shè)備具有一定的優(yōu)勢(shì)，一方面，其占有的空間面積很小，靈活性也很高，可以在較為狹小的空間之內(nèi)運(yùn)行，有助于提升應(yīng)用效果。另一方面，其電轉(zhuǎn)換的效率在60%左右，比二氧化碳激光器的電轉(zhuǎn)換效率高很多，能夠節(jié)約能源消耗量，減少成本。另外，對(duì)于半導(dǎo)體激光器而言，其波長(zhǎng)很短，金屬材料在其波段之下光吸收效果很高。與此同時(shí)，半導(dǎo)體激光器的系統(tǒng)較為穩(wěn)定，壽命在一千小時(shí)左右，體積很小，很容易進(jìn)行更換處理，因其具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，有助于提升金屬材料的加工效果，充分發(fā)揮相關(guān)技術(shù)在金屬材料加工過(guò)程中的積極作用，全面提升金屬材料的焊接加工、熔覆加工與淬火加工等效果，更好地進(jìn)行處理。

2 高功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用原理與特征

2.1 應(yīng)用原理分析

采用金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉積技術(shù)方式，在GAAS襯底上面沉積N-ALGAAS，有源區(qū)，P-ALGAAS等外延層。對(duì)于激光器而言，外延片在后續(xù)加工的過(guò)程中，可以制作成為激光器，在實(shí)際工作方面包括三個(gè)要素，其一就是泵浦源藥物，其二就是工作物質(zhì)要素，其三就是諧振腔藥物。對(duì)于泵浦源而言，在一定程度上能夠使得電子從低能態(tài)轉(zhuǎn)變到高能態(tài)的躍遷動(dòng)力，在激勵(lì)方式方面，主要為電注入類(lèi)型、電子束類(lèi)型以及光泵浦類(lèi)型的激勵(lì)形式;對(duì)于工作物質(zhì)而言，屬于不同波長(zhǎng)激光的產(chǎn)生內(nèi)因，在不同的工作物質(zhì)方面，其具有不同的能級(jí)結(jié)構(gòu)，能夠出現(xiàn)不同的波長(zhǎng);對(duì)于諧振腔而言，主要與平面鏡的放射面較為相似，根據(jù)GAAS的分析可以發(fā)現(xiàn)，其具有一定的光量子的放大作用。

在激光器運(yùn)行過(guò)程中，主要原理就是：泵浦源提供動(dòng)力支持，電子會(huì)從低能態(tài)轉(zhuǎn)變成為高能態(tài)，其與空穴呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)，出現(xiàn)躍遷的現(xiàn)象，躍遷過(guò)程中會(huì)釋放出光子，而光子會(huì)在諧振腔之內(nèi)震蕩，電子空穴受到激輻射，出現(xiàn)多種光子，達(dá)到高能量光束的輸出目的。

2.2 半導(dǎo)體激光垂直堆棧

對(duì)于半導(dǎo)體激光器而言，激光芯片主要就是核心發(fā)光源，而激光芯片又可以劃分成為激光單管與巴條結(jié)構(gòu)。對(duì)于激光巴條而言，主要將多個(gè)單管組合在一起，將很多巴條封裝其中，可以形成整體性的結(jié)構(gòu)，也就是高功率的半導(dǎo)體激光器。在激光巴條方面，其光束還可以劃分成為快軸與慢軸兩種結(jié)構(gòu)，利用微型的光學(xué)透鏡，可以全面壓縮光束，相關(guān)快軸方向發(fā)散角為1.15度，慢軸方向發(fā)散角為0.17度。在高功率激光垂直疊陣方面，光束實(shí)際上就是非相干疊加的具體面陣光源，在巴條數(shù)量逐漸增多的情況下，快軸與慢軸方向上的光束也會(huì)出現(xiàn)差異，這就需要采用透鏡類(lèi)型的鏡組進(jìn)行分割重新排列，在重新排列之后，有助于使得光束準(zhǔn)直聚焦，輸出功率達(dá)到金屬材料的加工處理需求。

2.3 特點(diǎn)分析

對(duì)于高功率的半導(dǎo)體激光器而言，與傳統(tǒng)的二氧化碳激光器相較，具有較高的使用優(yōu)勢(shì)，有助于提升系統(tǒng)的應(yīng)用效果，充分發(fā)揮相關(guān)技術(shù)的積極作用。具體特點(diǎn)為：第一，體積很小，能源的消耗也很低，在傳統(tǒng)二氧化碳激光器實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，主要采用固定的方式進(jìn)行處理，需要將工件運(yùn)輸?shù)睫D(zhuǎn)滿(mǎn)的車(chē)間加工維修，而對(duì)于高功率的半導(dǎo)體激光器而言，其體積很小，有助于創(chuàng)建可以移動(dòng)的工作站，拓寬應(yīng)用范圍，增強(qiáng)工作效果。第二，相關(guān)金屬的吸收率很高，在高功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，激光波長(zhǎng)在近紅外的波長(zhǎng)區(qū)域當(dāng)中，波長(zhǎng)的范圍在1000納米左右，金屬材料中的鋁材料與合金材料等在此波長(zhǎng)區(qū)域當(dāng)中，吸收率很高。第三，系統(tǒng)所輸出的功率較為穩(wěn)定，適合進(jìn)行金屬材料表面的加工處理，例如：在使用過(guò)程中相關(guān)增益介質(zhì)可以為激光單管組成的固態(tài)結(jié)構(gòu)，能夠預(yù)防氣態(tài)增益介質(zhì)方面的不均勻問(wèn)題，增強(qiáng)光束的質(zhì)量。

3 高功率半導(dǎo)體激光器在金屬材料加工中的應(yīng)用

3.1 激光焊接措施

在技術(shù)使用期間激光焊接屬于傳熱導(dǎo)類(lèi)型，也就是利用激光輻射的方式，對(duì)金屬材料表面進(jìn)行加熱處理，使得相關(guān)工件熔化，形成熔池。在控制光斑尺寸的情況下，針對(duì)各類(lèi)形狀鋼材進(jìn)行合理的銜接處理，例如：采用對(duì)接、搭接與T型等焊接方式，厚度在3毫米左右，焊接速度為每分鐘1.6米，在不銹鋼材料焊接之后，焊縫具有光滑并且平整的特點(diǎn)，在焊接以后強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足相關(guān)金屬工件的使用需求，輸出功率在1600瓦左右，光斑直徑為1.2毫米，熔深為3.7毫米。與其他的激光器技術(shù)相較，高功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)的應(yīng)用波長(zhǎng)很短，相關(guān)的金屬材料吸收率很高，熱影響區(qū)域的范圍很小，焊接的流程較為穩(wěn)定，能夠預(yù)防飛濺問(wèn)題。與此同時(shí)將高功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)用在機(jī)械手上面，有助于提升自動(dòng)化水平。

3.2 激光表面淬火操作

對(duì)于淬火技術(shù)而言，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中能夠提升金屬材料表面的耐磨與耐腐蝕性能，還能確保內(nèi)部韌性符合要求。高功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)在金屬材料加工領(lǐng)域中具有較為良好的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為：輸出光斑的相關(guān)能量，會(huì)均勻地分布在平頂矩形光束當(dāng)中，有助于預(yù)防能量分布問(wèn)題所誘發(fā)的金屬材料表面破壞的現(xiàn)象。與此同時(shí)，在金屬材料方面，不同激光波長(zhǎng)的吸收率有所差異，在高功率半導(dǎo)體激光器方面，其發(fā)光的波長(zhǎng)很短，吸收效果良好。例如：采用相關(guān)技術(shù)開(kāi)展金屬材料的淬火處理工作，通常情況下不需要進(jìn)行前期的處理，可以準(zhǔn)確地針對(duì)材料加工深度以及厚度進(jìn)行控制，預(yù)防熱畸形變形現(xiàn)象。

3.3 表面熔覆分析

在使用激光表面熔覆技術(shù)的過(guò)程中，有助于將相關(guān)高能量密度的激光束輻射到相關(guān)金屬材料的表面上，吸收光子相關(guān)能量，使得溫度逐漸增加，在高溫的環(huán)境之下會(huì)形成熔池，在其中添加熔覆材料，可以使得表面出現(xiàn)較為特殊的物理與力學(xué)等性能。在此過(guò)程中，應(yīng)制定完善的工作方案，樹(shù)立正確的觀念意識(shí)，遵循科學(xué)化的技術(shù)原則，全面提升各方面技術(shù)的應(yīng)用效果，充分發(fā)揮熔覆工作的積極作用。

4 結(jié)語(yǔ)

在金屬材料實(shí)際加工的過(guò)程中，應(yīng)樹(shù)立正確的觀念意識(shí)，充分意識(shí)到高功率半導(dǎo)體激光器在其中的重要性，采用科學(xué)合理的方式提升金屬材料的加工效果與水平，更好地完成加工任務(wù)。在此過(guò)程中應(yīng)總結(jié)豐富的經(jīng)驗(yàn)，將相關(guān)技術(shù)正確地應(yīng)用在金屬材料加工環(huán)節(jié)中，提升工作效果，綜合采用相關(guān)技術(shù)方式，完善金屬材料的加工性能，優(yōu)化各方面工作模式與體系，滿(mǎn)足當(dāng)前的實(shí)際發(fā)展需求，達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)加工目的。

[參考文獻(xiàn)]

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[收稿日期]2019-01-16

[作者簡(jiǎn)介]杜晶晶（1982—），河北省衡水市人，碩士研究生，講師，研究方向：金屬材料加工及超聲波檢測(cè)涂層厚度;徐媛（1988—），河北省衡水市人，碩士研究生，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：人力資源管理;于培清（1984—），河北省衡水市人，碩士研究生，講師，研究方向：材料物理及大學(xué)物理課程教學(xué)。