試析高功率半導體激光器在金屬材料加工中的應用

杜晶晶 徐媛 于培清

[摘 要]高功率半導體激光器具有體積小以及重量低的優勢，能源的消耗量很少，容易對光斑進行調節處理，光電的轉換效果較高，被廣泛地應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，有助于針對不同型號的合金鋼進行連續的焊接處理，形成面積較大并且深度較為均勻的相變硬化層，準確針對熔覆層相關結構進行控制，具有良好的應用作用。

[關鍵詞]高功率半導體激光器;金屬材料;加工應用

[中圖分類號]TN248.4 [文獻標識碼]A

在金屬材料加工發展的過程中，高功率半導體激光器受到了廣泛的重視，合理采用相關技術，有助于提升金屬材料的加工效果與水平，充分發揮各方面工作的積極作用，為其后續發展夯實基礎。

1 背景分析

激光屬于人類在原子能方面、電子計算機方面與半導體方面的又一重大發明，半導體激光器已經開始從同質結以及異質結轉變成為量子阱設備。自從上個世紀八十年代開始，分子束外延與金屬有機化合物氣相外延技術等開始成熟，量子阱類型的半導體激光器已經開始應用到電子計算機領域與通訊領域當中，發展趨勢很好。但是，由于半導體激光器在實際應用期間，輸出的功率很小，不適合應用在材料的加工環節中。而在半導體激光器冷卻系統開發出來以后，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技術出現之后，系統的輸出功率得到顯著提升，到上個世紀九十年代，半導體激光器已經開始應用在金屬材料的加工工作中，與傳統激光器相較，大功率的半導體激光器設備具有一定的優勢，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運行，有助于提升應用效果。另一方面，其電轉換的效率在60%左右，比二氧化碳激光器的電轉換效率高很多，能夠節約能源消耗量，減少成本。另外，對于半導體激光器而言，其波長很短，金屬材料在其波段之下光吸收效果很高。與此同時，半導體激光器的系統較為穩定，壽命在一千小時左右，體積很小，很容易進行更換處理，因其具有一定的應用優勢，有助于提升金屬材料的加工效果，充分發揮相關技術在金屬材料加工過程中的積極作用，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，更好地進行處理。

2 高功率半導體激光器的應用原理與特征

2.1 應用原理分析

采用金屬有機氣相化學沉積技術方式，在GAAS襯底上面沉積N-ALGAAS，有源區，P-ALGAAS等外延層。對于激光器而言，外延片在后續加工的過程中，可以制作成為激光器，在實際工作方面包括三個要素，其一就是泵浦源藥物，其二就是工作物質要素，其三就是諧振腔藥物。對于泵浦源而言，在一定程度上能夠使得電子從低能態轉變到高能態的躍遷動力，在激勵方式方面，主要為電注入類型、電子束類型以及光泵浦類型的激勵形式;對于工作物質而言，屬于不同波長激光的產生內因，在不同的工作物質方面，其具有不同的能級結構，能夠出現不同的波長;對于諧振腔而言，主要與平面鏡的放射面較為相似，根據GAAS的分析可以發現，其具有一定的光量子的放大作用。

在激光器運行過程中，主要原理就是：泵浦源提供動力支持，電子會從低能態轉變成為高能態，其與空穴呈現出不穩定的態勢，出現躍遷的現象，躍遷過程中會釋放出光子，而光子會在諧振腔之內震蕩，電子空穴受到激輻射，出現多種光子，達到高能量光束的輸出目的。

2.2 半導體激光垂直堆棧

對于半導體激光器而言，激光芯片主要就是核心發光源，而激光芯片又可以劃分成為激光單管與巴條結構。對于激光巴條而言，主要將多個單管組合在一起，將很多巴條封裝其中，可以形成整體性的結構，也就是高功率的半導體激光器。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構，利用微型的光學透鏡，可以全面壓縮光束，相關快軸方向發散角為1.15度，慢軸方向發散角為0.17度。在高功率激光垂直疊陣方面，光束實際上就是非相干疊加的具體面陣光源，在巴條數量逐漸增多的情況下，快軸與慢軸方向上的光束也會出現差異，這就需要采用透鏡類型的鏡組進行分割重新排列，在重新排列之后，有助于使得光束準直聚焦，輸出功率達到金屬材料的加工處理需求。

2.3 特點分析

對于高功率的半導體激光器而言，與傳統的二氧化碳激光器相較，具有較高的使用優勢，有助于提升系統的應用效果，充分發揮相關技術的積極作用。具體特點為：第一，體積很小，能源的消耗也很低，在傳統二氧化碳激光器實際應用的過程中，主要采用固定的方式進行處理，需要將工件運輸到轉滿的車間加工維修，而對于高功率的半導體激光器而言，其體積很小，有助于創建可以移動的工作站，拓寬應用范圍，增強工作效果。第二，相關金屬的吸收率很高，在高功率半導體激光器技術在應用過程中，激光波長在近紅外的波長區域當中，波長的范圍在1000納米左右，金屬材料中的鋁材料與合金材料等在此波長區域當中，吸收率很高。第三，系統所輸出的功率較為穩定，適合進行金屬材料表面的加工處理，例如：在使用過程中相關增益介質可以為激光單管組成的固態結構，能夠預防氣態增益介質方面的不均勻問題，增強光束的質量。

3 高功率半導體激光器在金屬材料加工中的應用

3.1 激光焊接措施

在技術使用期間激光焊接屬于傳熱導類型，也就是利用激光輻射的方式，對金屬材料表面進行加熱處理，使得相關工件熔化，形成熔池。在控制光斑尺寸的情況下，針對各類形狀鋼材進行合理的銜接處理，例如：采用對接、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，在焊接以后強度能夠滿足相關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相較，高功率半導體激光器技術的應用波長很短，相關的金屬材料吸收率很高，熱影響區域的范圍很小，焊接的流程較為穩定，能夠預防飛濺問題。與此同時將高功率半導體激光器應用在機械手上面，有助于提升自動化水平。

3.2 激光表面淬火操作

對于淬火技術而言，在實際應用的過程中能夠提升金屬材料表面的耐磨與耐腐蝕性能，還能確保內部韌性符合要求。高功率半導體激光器技術在金屬材料加工領域中具有較為良好的優勢，主要表現為：輸出光斑的相關能量，會均勻地分布在平頂矩形光束當中，有助于預防能量分布問題所誘發的金屬材料表面破壞的現象。與此同時，在金屬材料方面，不同激光波長的吸收率有所差異，在高功率半導體激光器方面，其發光的波長很短，吸收效果良好。例如：采用相關技術開展金屬材料的淬火處理工作，通常情況下不需要進行前期的處理，可以準確地針對材料加工深度以及厚度進行控制，預防熱畸形變形現象。

3.3 表面熔覆分析

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

4 結語

在金屬材料實際加工的過程中，應樹立正確的觀念意識，充分意識到高功率半導體激光器在其中的重要性，采用科學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。在此過程中應總結豐富的經驗，將相關技術正確地應用在金屬材料加工環節中，提升工作效果，綜合采用相關技術方式，完善金屬材料的加工性能，優化各方面工作模式與體系，滿足當前的實際發展需求，達到預期的生產加工目的。

[參考文獻]

[1] 李學敏，蘇國強，翟光美，等.高功率半導體激光器在金屬材料加工中的應用[J].太原理工大學學報，2016（02）.

[2] 王猛.大功率半導體激光器耦合特性的研究[D].山東建筑大學，2016（04）.

[3] 許成文.高功率半導體激光器矩形光斑聚焦系統研究[D].華中科技大學，2017（06）.

[收稿日期]2019-01-16

[作者簡介]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涂層厚度;徐媛（1988—），河北省衡水市人，碩士研究生，助理實驗師，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：材料物理及大學物理課程教學。