過去的幾年中，高功率二極管激光器（HPDL）已被成功地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。除了用做固態(tài)激光器的泵浦源以外，它們還被用于材料加工中，例如焊接、軟釬焊和熱處理。此前，千瓦級的系統(tǒng)更為重要，因?yàn)樗鼈兛杀挥糜诮饘俦∑暮附右约熬植炕鼗稹６壳埃嗟奈⑿图庸?yīng)用利用了功率為 500W的HPDL來進(jìn)行加工。HPDL的光束質(zhì)量高而且聚焦光斑小，這些特點(diǎn)讓HPDL成為一項(xiàng)深具潛力的加工手段。 二極管激光器可被用于直接加工中，或者以光纖耦合系統(tǒng)的形式應(yīng)用到加工中。用于直接加工的激光光斑為矩形焦斑，而光纖耦合系統(tǒng)中常見的是軸向?qū)ΨQ的光束（如圖1）。對于功率在150W范圍內(nèi)的激光器來說，人們更多地使用被動制冷的光纖耦合激光系統(tǒng)。在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量經(jīng)過一個(gè)大型銅制散熱片進(jìn)行散熱。對于散熱片的冷卻來說，可以使用電熱元件，或者工業(yè)水冷系統(tǒng)。被動式制冷的二極管激光器優(yōu)勢在于它的設(shè)計(jì)簡潔，而且所需的維護(hù)量很少。水冷二極管激光器需要使用的制冷劑，在被動式制冷的二極管激光器就不需要使用。在多數(shù)情況下，因?yàn)槭褂昧舜笮蜕崞鳎员粍邮街评涞亩O管激光器無法得到直接輸出的激光，激光輻射必須通過光纖來傳輸，光纖直徑在400到800m。這類系統(tǒng)得到的焦斑直徑約在600到1200m，工作距離為100mm。在一些特殊應(yīng)用中，也可以降低激光功率得到直徑更小的光斑。由于二極管激光器的光束質(zhì)量高，因此若使用200m的光纖，在工件上可以達(dá)到約22W的激光能量。若使用焦距更短的透鏡，焦斑直徑可達(dá)120m。 在直接加工應(yīng)用中，若所需的激光功率大于150W，可以使用主動冷卻型激光器。這樣，冷卻水的質(zhì)量就變得非常重要。所有相關(guān)的參數(shù)都必須通過集成探測器的檢測，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 應(yīng)用和機(jī)遇 除了二極管的技術(shù)設(shè)計(jì)外，實(shí)際的應(yīng)用場合決定了焦斑的大小和幾何形狀。線狀焦斑比圓形焦斑更適合進(jìn)行熱處理。而矩形焦斑只有在對其參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格限制的情況下，才可以被用于輪廓加工。二極管激光器設(shè)計(jì)簡潔，其傳感器可以直接被集成到聚焦頭，以便進(jìn)行加工控制。在生產(chǎn)過程中使用高溫計(jì)和CCD攝像頭有助于對生產(chǎn)過程進(jìn)行設(shè)置、控制和存檔。利用這些設(shè)備，技術(shù)人員甚至可以修復(fù)產(chǎn)品缺陷，從而令加工的質(zhì)量更為可靠。近幾年來，人們更加重視利用激光透射來焊接聚合物塑料。與傳統(tǒng)技術(shù)（例如熱焊接、超聲波焊接、振動焊接技術(shù)等）相比，激光焊接的優(yōu)勢在于能量傳輸無需直接接觸，而且其熱影響區(qū)域? ８縈τ們榭齙牟煌梢允褂貌煌姆絞嚼春附櫻熱繆諛ず附印⒙擲附印⑼膠附踴蛘咦紀(jì)膠附印９庀筍詈隙薌す餛韉墓饈柿亢芨擼溝米紀(jì)膠附又猩韞庋г氖褂貿(mào)晌贍堋? 在聚合物塑料的焊接中，選擇合適的激光波長是很重要的。在多數(shù)情況下，吸收率是由塑料中的添加劑決定的，比如塑料中的色素或者顏料，而不是由聚合物基體材料決定的。聚合物生產(chǎn)商提供了各種各樣不同顏色的塑料，用于激光透射焊接。大部分添加劑對于激光的吸收范圍比較窄。而且這些吸收范圍并不能覆蓋標(biāo)準(zhǔn)的激光波長范圍（808，940和960nm）。 HPDL在工業(yè)中的應(yīng)用首先是對金屬的熱處理。應(yīng)用實(shí)例包括導(dǎo)向桿的硬化處理、扭轉(zhuǎn)彈簧的熱處理；在這兩項(xiàng)應(yīng)用中，激光能量輸入的局域化和可控性是巨大的優(yōu)勢。目前的HPDL技術(shù)已經(jīng)能夠加工外形很小的物體，而且準(zhǔn)確性高，這就開拓了更有價(jià)值的應(yīng)用前景。 對于標(biāo)簽生產(chǎn)，具有微米級刀口的沖壓工具已經(jīng)被集成到印刷機(jī)上。這些刀口必須進(jìn)行硬化處理，而且在處理的過程中，必須避免刀口背面的材料也被加熱。因此，為了實(shí)現(xiàn)刀口上的均一硬化，集成了高溫計(jì)的HPDL被用來進(jìn)行加工。該激光系統(tǒng)在一個(gè)閉合的回路上加熱，以保持刀口上的溫度不變（如圖2）。 直徑100~600m的鎢絲在放進(jìn)燈泡里以前必須先被重新整形。然而，鎢絲是易碎金屬，在整形過程中需要回火，當(dāng)鎢絲被加熱的時(shí)候，它必須被蓋上一層保護(hù)氣體。使用HPDL，人們可以通過閉環(huán)過程把鎢絲加熱至回火溫度，而且不會壞成形切刀。 激光低溫焊接是一項(xiàng)選擇性焊接技術(shù)，它被用來加工電子產(chǎn)品中需要低溫焊接的節(jié)點(diǎn)、傳感器和開關(guān)。該技術(shù)的優(yōu)勢包括無接觸式加熱、合適的熱量、高度確定的能量輸入和易于操作。激光低溫焊接被用于需要避免熱影響的區(qū)域或者對加熱很敏感的元件。這類的實(shí)例包括軟質(zhì)印刷電路（FPC，如圖 3）。在汽車和電子工業(yè)中，軟質(zhì)印刷電路的應(yīng)用日益廣泛。過熱將導(dǎo)致聚合物內(nèi)部分層，從而破壞了零件。 能量輸入的局域化使技術(shù)人員能夠以低溫焊接小型元件，比如與細(xì)銅線相連的微型半導(dǎo)體。銅線的直徑為75m。半導(dǎo)體上的襯墊有金鍍層，大小為400×800m。由于加工過程非常精細(xì)，技術(shù)人員無法在材料上放上固體焊料或者焊泥，所以這里使用了直徑為300m的焊線。激光的焦點(diǎn)必須準(zhǔn)確地定位到襯墊上，因?yàn)樗車乃芰匣缀苋菀孜占す狻τ诮狱c(diǎn)的目測檢查沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷，X射線檢查沒有發(fā)現(xiàn)任何小孔和缺口。 前景和展望 在過去幾年中，二極管激光系統(tǒng)的開發(fā)商努力創(chuàng)造輸出功率和光束質(zhì)量的新紀(jì)錄。隨著工業(yè)應(yīng)用中激光系統(tǒng)的數(shù)量日益增加，其他的參數(shù)也變得更加重要。目前開發(fā)商們關(guān)注的新焦點(diǎn)在于激光可用性、可維護(hù)性，以及其工業(yè)設(shè)計(jì)，與此同時(shí)，成本還必須保持在低水平上。半導(dǎo)體的可靠性以及組裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這些市場需求的重要方面。 首批的HPDL系統(tǒng)不帶有集成的傳感器，而目前幾乎所有相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)都有相應(yīng)的感應(yīng)器，這些條件參數(shù)包括了冷卻參數(shù)、激光器模塊內(nèi)濕度。集成到加工端部的監(jiān)控設(shè)備的數(shù)量正在不斷增加，這些監(jiān)控設(shè)備包括了CCD攝像機(jī)和高溫計(jì)。可選的監(jiān)控功能還有功率測量和遠(yuǎn)程故障監(jiān)控系統(tǒng)，這些功能不久都將變成標(biāo)準(zhǔn)配備。由于采用了智能堆棧管理技術(shù)，具有許多二極管的激光器的可靠性得到進(jìn)一步的提高，即使有單個(gè)二極管報(bào)廢，也能保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。 目前可用的系統(tǒng)覆蓋的應(yīng)用范圍很廣。就算有些產(chǎn)品無法找到合適的激光器，技術(shù)人員也能夠基于標(biāo)準(zhǔn)二極管模塊來提供專門的解決方案。這方面的例子是多焦點(diǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)能夠在同一個(gè)加工頭上同時(shí)得到多達(dá)四個(gè)焊接點(diǎn)或者焊接線（如圖4）。而且四個(gè)焦點(diǎn)之間的距離和相對位置是可以進(jìn)行大范圍調(diào)整的。 由于HPDL的功率高達(dá)500W，因此它的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。它們的焦斑尺寸很小，加工區(qū)域可達(dá)到幾百個(gè)微米。塑料焊接、低溫焊接和熱處理等加工過程在汽車工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備和電子產(chǎn)品等行業(yè)都有著巨大的應(yīng)用潛力。此外，對操作過程和加工參數(shù)的監(jiān)控大大提高了HPDL在工業(yè)應(yīng)用中的可靠性。