激光的种类和特点

表1.2 焊接或连接用激光器的名称和特点。

   高功率激光输出首先在CO₂激光器上实现，然后是YAG激光器。随后，准分子激光器，比如XeCl（308 nm），KrF（248 nm），ArF（193 nm）等，也被研发出来，但它们主要用于在塑料和玻璃上钻孔等工作，而很少用于焊接。接着，高功率半导体激光器，其输出波长在 0.8~1.1μm，作为材料处理的热源也走出了实验室，业界冠以 DDL (Direct Diode Laser) 和 HPDDL (High-Power Direct Diode Laser)的名字。进一步，高光束质量、高功率半导体激光器就被用作了碟片和光纤激光器的泵浦源。在21世纪初，高功率、高光束质量、高效率的碟片和光纤激光器双双露面，迅速被广泛应用在材料焊接和切割中。近年来，超短脉冲激光器如皮秒和飞秒激光器，基于YAG，碟片以及基于光纤激光器二次谐波的绿光激光器，还有蓝光半导体激光器被相续开发面世。超短脉冲激光起初主要用在玻璃上钻孔，进而在玻璃的搭接上找到了应用场景。由于铜材和金材上的高吸收率，绿光和蓝光有望在铜板或铜箔的焊接上获得应用。

1.4 CO₂激光器（二氧化碳激光器）

图1.4 CO₂激光的能级结构。

  CO₂激光器的材料加工过程如图1.5所绘。由谐振腔出来的激光束由反射镜和聚焦镜在自由空间中偏转方向并聚集到一个非常小的光斑，得以产生高能量密度或者高功率密度的加热源。根据激光出射、气体流动、放电的方向和特点，CO₂激光器的谐振腔被分为封离式、慢速气流的轴横流或高速气流轴快流、2-/3-轴正交型等几种类型。CO₂激光器可以工作在连续或脉冲模式。激光束的功率空间分布可以是高斯型、低阶多模、高阶多模或环形光斑等。高峰值功率的脉冲激光器主要用于钻孔，而高平均功率的连续波激光器主要用于焊接和切割。就CO₂激光器而言，ZnSe材料常用于透明窗口片和聚焦透镜。在实际应用中，有一点需要特别注意，这就是“热透镜效应”。当高功率激光束通过聚焦透镜时，由于激光功率的空间分布不均匀，因而透镜吸收激光导致的温升也不相同，从而透镜的焦距会向前漂移。

图1.5 CO₂激光加工设备的组成。