大功率固体激光器的原理及应用

发明专利
实用新型专利 实用新型专利 实用新型专利 实用新型专利 实用新型专利 发明专利 发明专利 发明专利 发明专利
ZL200810230068.3
ZL200720185201.9 ZL200820232090.7 ZL200720185200.4 ZL200820232093.0 ZL200820232092.6 201010535077.0 201110375807.X
Prokhorov
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激光技术的发展简史
1958年Townes和 Schawlow抛弃了尺度必 须和波长可比拟的封闭 式谐振腔的老思路，提 出利用尺度远大于波长 的开放式光谐振腔实现 Laser的新想。
Schawlow
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激光技术的发展简史
美国休斯公司实验室一位从事 红宝石荧光研究的年轻人梅曼 在1960.5.16利用红宝石棒首 次观察到激光；
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大功率半导体直接输出全智能激光成套设备
半导体直接输出激光器原理 半导体直接输出激光器将一个或多个 半导体激光叠阵通过光学系统整形合束后，
将激光直接从光学窗口输出的激光器。
图1.空间合束
半导体直接输出激光器合束形式分为 空间合束和偏振合束两种，主要应用于金 属材料表面改性，是CO2横流激光器的升级 换代产品。
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系统现场服务
云天化现场修复
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系统现场服务
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产品的社会效益
系统研制成功解决了电力、冶金、石化等国民经济支柱行业的关 键问题，为国家支柱行业节约成本支出，迫使国外同类产品降价，利
于民族工业发展，为国家贡献新的装备制造业产品，顺应了中央倡导
的循环经济、绿色再制造、低碳经济的发展需要。
Einstein
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激光技术的发展简史
理论基础：
R.C.Tolman指出：具有粒 子数反转的介质具有光学增 益（产生激光的基本条件之 一）（1924）。
Tolman
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激光技术的发展简史
实验基础：
Prokhorov和 H.Townes分别独 立报导了第一个 微波受激辐射放 大器(Maser) Townes （1953）
大功率固体激光器的原理及应用
沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司 赵晓白
普通光源
普通光源是光的自发辐射。 特点：多波长、任意方向、 不相干。 普通光源向四面八方辐射, 光线分散到4p球面度的立体 角内.
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激
光
激光Laser：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （通过受激辐射 光扩大）。 激光是光的受激辐射。 激光的特点：单色性好,方 向性好；相干性好；亮度高 . 基本沿某一条直线传播,通 常发散角限制在10-6球面度 量级的立体角内.
热沉热管理技术
电极
LD
电极
LD
电极
绝缘层
电极
绝缘层
热沉（铜）
传统的封装设计
热沉（铜）
改进的封装设计
这种封装设计可将LD寿命提高1-3倍
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全固态激光器关键技术
激光晶体冷却通道设计
• 热沉的设计采用了先进的微通道分段冷却技术：使热沉换热能力大为 提高，能从传统的50-60度温度降为30度左右，而且温度均匀，LD寿命增 加 • 采用了先进的紫铜电子束焊接保证可靠性
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半导体直接输出激光器系统构成
1、激光器（基本配置）
⑵ 控制水冷系统
该系统将电气控制、水 冷控制一体化设计，极 大节约了各结构部件的
使用空间，满足现场加
工对设备的小型化、轻 便化、易于移动的使用 要求。
激 光 器 控 制 水 冷 一 体 机
水冷 部分
电气 控制 部分
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半导体直接输出激光器系统构成
图2.偏振合束
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半导体直接输出激光器技术指标
输出功率：2.5-3KW 激光工作距离：220-370mm 电光转换效率：55% 激光头最大工作电流：75A 激光头最大工作电压：100V 额定电功率：9KW
功率稳定度：±2%
激光焦点光斑：3×3或10×1.5 激光波长：980nm
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1963年7月 1963年6月 1963年12月 1965年9月
激光技术的发展简史
激光应用技术
信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算， 光隔离器 检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维 形状 激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型 医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼 科手术，激光血照仪，视光学测量 科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光 谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过 程等等
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1000W全固态激光器
Ⅳ型 Ⅲ型
Ⅱ型 Ⅰ型
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全固态激光器关键技术
全固态激光泵浦头结构设计技术 半导体封装技术 激光晶体散热与镀金结构设计 激光晶体冷却通道设计
热沉热管理技术
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全固态激光器关键技术
全固态激光泵浦头结构设计 技术指标 输出功率：>400W
2、执行机构（选配） ⑴ 机械手 根据激光加工需要选择适合行程 的机械手，扩展了激光加工的范 围和对加工对象的适应性。激光
头、送粉装置及其他附属部件总
重量决定了机械手的额定载重量。 使用机械手作为执行机构要特别 注意加强安全防护措施，以免对 人身安全造成伤害。
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半导体直接输出激光器系统构成
工作方式：短脉冲，脉冲，超短脉冲，连续 输出稳定性：稳频率，稳功率，稳方向
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激光技术的发展简史
我国的各类第一台激光器
激光器的第一台
研制成功时间
研 制 人 邓锡铭、 王之江 邓锡铭等 干福熹 王守武 王润文等
红宝石激光器（我国第一台) 1961年11月
He-Ne激光器 掺钕玻璃激光器 GaAs同质结半导体激光器 CO2分子激光器
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梅曼和第一只激光器
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气体激光器
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固体激光器
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液体激光器
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半导体激光器
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大陆激光的激光器
第三代
第二代
第一代
大功率半导体直接输出 全智能激光成套设备 大功率全固态激光成 套设备 大功率CO2激光成套 设备
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大功率全固态激光成套设备
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3
激
光
辐射跃迁：
受激吸收
自发辐射 受激辐射
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激
光
粒子数反转
激光原理就是要研究 光的受激辐射是如何 在激光器内产生并占 主导地位而抑制自发 辐射！
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激光技术的发展简史
理论基础：
爱因斯坦的光子学说 (1905)； 波粒二象性(1909)
辐射理论(1917)：提出 了受激辐射的概念，预 测到光可以产生受激辐 射放大。
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部分获奖证书
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政府支持
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部分展会
上海慕尼黑国际激光展
第二届东北亚高新技术展
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系统鉴定会
2008年9月23日举行鉴定会， 许祖彦、范滇元、李鹤林三 位院士、邓树森主任等组成 鉴定专家组
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鉴定会专家组意见
提供的技术资料齐全、完整，符合科技成果鉴定要求。 研制出的全固态激光光源移动式激光加工系统是多项高技术的集成创新，涵盖了千瓦 级全固态激光器设计制造、机器人柔性加工、激光熔覆梯度功能材料、激光熔覆加工 工艺等领域，为大型金属结构部件现场再制造提供了先进的技术手段。 独立自主解决了系统防震减震、系统控制、自动监测保护、抗环境干扰等关键技术问 题，实现了长途运输后落地开机出光。开发了随形车磨加工系列配套设备，具有良好 的现场实用性。 该系统已经获得了实际工程应用，解决了企业的难题。对大型设备损伤金属结构部件 现场再制造，节省维修费用、缩短工期，经济效益显著。已申请了 6项发明专利，并制 定了企业技术标准。 综上所述，结合科技查新检索结论，“基于全固态激光光源的移动式激光加工系统” 科技成果属国内首创，达到了国际先进技术水平。鉴定委员会一致同意通过科技成果 鉴定。 建议加大推广应用力度，并进一步增强设备的野外作业适应性。
梅曼在7月7日正式演示了世界 第一台红宝石固态激光器；
他在Nature(8月16日)发表了 一个简短的通知。
Maiman
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激光技术的发展简史
Maiman的第一台激光器
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激光技术的发展简史
中国第一台激光器（1961）
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激光技术的发展简史 各种激光器的开发:
工作物质：固体，气体，染料，化学，离子，原 子，半导体，X射线 输出功率：大功率，低功率




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该系统属于国内首创，达到国际先进水平
科技查新报告
科技成果鉴定证书
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系统现场服务
上海宝钢现场服务1
上海宝钢汽轮机上下端盖现场服务
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系统现场服务
上海宝钢现场服务2
轧机牌坊立柱端面防腐熔覆处理 双激光器、双机器人同时作业连续96小时
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系统现场服务
一种全固态大功率激光器通用控制器
适合移动式加工全固态大功率激光器的光学调整镜架 激光焊接辅助定位装置 适合移动式加工全固态大功率激光器的光学系统 带水冷及导向气体保护的同轴送粉喷嘴 一种用于固体激光器焊接的气体保护头 一种智能送丝机 一种激光加工送丝送粉熔覆气分保护装置 一种高精度重力送粉器 一种高纯净度半导体激光器水冷系统
天津盘山电厂现场服务
30万千瓦发电机主轴修复
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系统现场服务
鞍山矿山粉碎机现场服务
直径3.5米，高3.8米，重8吨，
维修轴直径360mm
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系统现场服务
阳逻电厂60万千瓦发电机组
机组重62吨，主轴长12米，直径520mm
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系统现场服务
汉川电厂
华电大方电厂汽轮机
波长偏差：±10nm
有效工作寿命：>10000小时 激光头重量：<18Kg
动力电需求：三相AC380，16A
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半导体直接输出激光器系统构成
1、激光器（基本配置） ⑴ 激光头 ⑵ 控制水冷系统
2、执行机构（选配） ⑴ 八轴八联动执行机构 ⑵ 六轴六联动加工机床
3、附件（选配） ⑴ 侧向送粉气分保护头 ⑵ 同轴送粉器 ⑶ 智能送丝机
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激光器的组成
1 激光器的组成和常见激光器
常用激光器由三部分组成：

工作物质 泵浦源 光学谐振腔
激励能源
工作物质
激光
M1
谐振腔
激光器结构示意图
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M2
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激光器的wk.baidu.com类
气体激光器 按工作物质分 ： 固体激光器 液体激光器 半导体激光器 自由电子激光器
连续输出 按输出方式分： 脉冲输出
系统结构组成
全固态激光器分体式加工系统
全固态激光器一体化加工系统
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全固态激光器产品性能指标
激光波长：λ=1064nm 光纤额定输出功率：P=1000W


功率稳定性：±1.5%
电光转换效率：18% 光纤直径：600μm、800μm、1000μm 有效工作寿命：5000-10000小时 光纤长度：10米 --- 30米
泵浦效率：>18%
工作温度：<25℃ 波长：1064nm 功率不稳定度： <1.5%
工作水压：<5kg
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全固态激光器关键技术
半导体封装技术
采用创新设计，降低BAR条等关键器件温度，以提高激光器整体寿命到万小时 LD泵浦源系统
采用金锡硬焊料—大大提高寿 命
铟 金锡
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全固态激光器关键技术
传统设计示意图
改进设计示意图
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全固态激光器关键技术
激光晶体散热与镀金结构设计 晶体表面微结构和烧金技术——降低温度，增加可靠性
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部分专利
专利名称 适合移动式加工全固态大功率激光器的冷却水装置 大功率光纤调整架 类别 发明专利 发明专利 证书号 ZL200710159189.9 ZL200810230159.7
(4) 宽带加工头 (5) 重力送粉器
4、损耗器件（选购） ⑴ 保护镜片 ⑵ 交换树脂、滤芯 ⑶ 干燥装置
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半导体直接输出激光器系统构成
1、激光器（基本配置）
⑴ 激光头
该部件由我公司提出设计指标和功能要求，委 托德国激光公司订制。激光头采用多传感器对 内部湿度、供电电流及冲击、冷却水流量、冷 却水温度、激光模块阵列温度等进行监控，突 破了国内在封装和长期使用可靠性的瓶颈，激 光加工设备的稳定性得到保障。