光纤激光器如何解决高反难题?

时间:2021-09-23 11:55来源:锐科激光作者:wuping 点击:
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摘要:什么是高反? 一般来讲,高反指的是由于加工材料电阻率较小,表面较为光滑,对近红外激光的吸收率较低,如图所示,为常见金属元素的吸收系数,这导致大量的激光发生发射,又因为大多数激光器的使用场景均为垂直于材料或者少量倾角。从而导致回返激光重新进入输出头,甚至部分回返光耦合进入传能光纤,沿光纤反向传输至激光器内部,使得激光器内部核心部件持续高

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什么是高反?

一般来讲,高反指的是由于加工材料电阻率较小,表面较为光滑,对近红外激光的吸收率较低,如图所示,为常见金属元素的吸收系数,这导致大量的激光发生发射,又因为大多数激光器的使用场景均为垂直于材料或者少量倾角。从而导致回返激光重新进入输出头,甚至部分回返光耦合进入传能光纤,沿光纤反向传输至激光器内部,使得激光器内部核心部件持续高温。

抗高反具体实施方案

在高反材料加工时,一旦出现过高的回返激光进入激光器内部,对切割头或焊接头及激光器本身都会有一定的损坏风险,尤其对于高功率光纤激光器产品,回返激光功率明显会比低功率激光器产品高,损坏风险也更高。当进行高反材料切割加工时,在材料未穿透情况下,会有较高功率的回返光返回至激光器内部,损坏激光器。锐科激光研发人员针对以上问题,设计了四级抗高反射光保护设计,同时将新增各项回返光监测功能,保证激光器在出现异常加工时的实时保护。

01四级抗高反射光设计

光缆输出头抗高反光设计

锐科激光设计的QBH、QD以及QP光纤输出头,能够高效的将不可控回返光转换为可以吸收的光和热,同时提升输出头的吸热和散热能力,从而能够最大程度的避免回返光对内部元器件的影响。对于激光加工系统来说,回返激光首先会对输出光缆头产生影响,使输出光缆出现发热甚至损坏的风险,为了保证输出光缆的安全,在原有设计的基础上,我们在输出光缆内部集成了一级回返光剥除装置,如图。光缆输出端加入抗高反光设计能够第一时间剥除大部分回返激光,降低对激光器内部光学结构的损伤,同时结合水冷散热设计,有效的将剥除的回返激光吸收,避免其对光缆输出头产生热影响。

合束模块内两级抗高反光设计

多模块高功率激光器产品主要基于多单元模块合束而成,切割高反材料时,回返光经过光缆处的一级抗高反设计后,仍可能有部分光经过输出光缆反向传输至合束内部。因此,考虑合束内的光学器件及光路设计的安全可靠性,合束内部增加了两级抗高反保护设计,如图,采用分步式逐级剥除回返激光,保证抗高反保护光学器件安全的同时,降低回返激光对激光器光路结构的影响。

单元模块内抗高反光设计

由于单元模块内部存在光学谐振腔,低功率的回返激光一旦进入单元模块内部被谐振腔不断放大,会严重影响激光器的光学稳定性,增加激光器损坏风险。为了进一步提升激光器在高反切割时的稳定可靠性,结合单元模块内部的光路设计,增加了单元模块抗高反光装置,提升模块的可靠性,如图。

02多重高反软件监控设计(陆续导入)

高反软件保护主要为高反监控保护,指激光器在加工高反材料时,产生的强回反光进入激光器光学系统中,带来激光器运行的不稳定或光学器件的损坏,而采取的激光器运行状态的监控或保护机制。

抗高反光装置虽然能保证激光器在某个回返激光功率阈值内仍可以正常工作而不会损坏,但超过此阈值后激光器仍会存在损坏风险,因此,为了确保回返激光过高时激光器能够及时保护,多模块高功率激光器产品内部加入了多重高反软件保护设计:

输出光缆高反保护设计

当回返光功率较高时,返回的激光会一部分沿原光路返回至输出光缆光纤中,另一部分则会直接入射到输出光缆前端,通过对回返激光传输问题的研究和监控功能集成化技术研究,我们在输出光缆内部集成了包括光缆温度监控、激光监控和回返光监控等多项检测功能,用于对回返激光的实时监测。一旦回返激光功率超过了激光器所能承受的范围时,激光器就会及时关闭出光并进行报警,保证激光器不会损坏,同时也能提醒客户,此时加工存在异常。

合束及光学模块高反保护设计

考虑到回返激光存在纤芯激光和包层激光两种,除输出光缆增加高反保护设计外,我们还在合束内部增加了高反检测模块,用来对反向传输激光功率进行检测,并实时监控回返激光的功率大小。这种高反检测模块不仅能检测到包层激光,还能检测到纤芯激光,能够有效的规避只检测包层回返激光时,纤芯回返激光仍会导致激光器损坏的风险。一旦激光器内部存在较高的回返激光时,也能够及时关闭激光并报警,保证激光器的安全可靠性。

03切割测试

由于紫铜较低的激光吸收率以及较高的导热性能使得紫铜表面一直处于镜面状态,源源不断的激光回返至光纤输出头,进而验证新型光纤输出头抗高反能力。

切割铝板

切割紫铜视频和非正常切割

上述视频可以看出,只要操作得当,不管是铝板、黄铜、紫铜等高反材料,锐科激光器均能驾驭,高效切割,断面效果好。针对高反非正常加工测试,是为了测试激光器的抗高反能力,通过来回在紫铜板材上划线,不穿透紫铜板材,此时的返回光极高,激光器仍能正常使用,说明锐科激光器抗高反能力强。

信号展示

通过以上高反测试看以看出,切割过程中,高反监控信号能够实时传送到显示屏。当非正常加工的状态下,能监测到高反信号,其信号是在激光器阈值之内的。当高反光超过一定阈值时,就会引发机器报警,提醒工作人员,检查操作是否有误。

针对切割高反材料,听听工艺工程师建议:

(1) 切割黄铜,紫铜等材料时,速度放保守些,留一些空间,不要太极限。

(2) 紫铜必须用氧气切割,不可以用氮气或空气切割。

当出现以下问题时,请立即停机检查。

(1) 下保护镜有污染。

(2) 切割高反材料穿孔没穿透。

(3) 切割高反材料,穿孔穿透了,但是切割没切透。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:wuping )
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