MOPA脈衝光纖激光器的優勢在於可調參數多、可調範圍大和適用工藝廣，新工藝摸索對工程師的技術水平要求較高，需要有一套系統的方法加以指導。本文從脈衝激光標記系統組成出發，分析脈衝激光加工中的主要技術問題，用於指導工藝實踐。
圖1 脈衝激光標記系統結構示意
如圖1所示，以典型的脈衝激光標記系統為例，一般包含5個主要部分：光源（Laser Source）、振鏡（Galvanometer）、場鏡（Flat Field Lens）、控制卡和控制軟件、機臺。
下面以MOPA脈衝激光器的應用為例，小編將介紹一般工藝實踐中對主要設備配件的選型方法和需要注意的問題。
01
激光器的選擇
激光器選型的主要考量是效果、效率和性價比。影響MOPA激光器工藝效果的主要參數是脈衝寬度、脈衝能量和光束質量。
採用MOPA激光器打樣時，首先需要確定的參數就是脈衝寬度。長脈衝能量大、熱影響區大、底紋粗糙，適合簡單的打標、切割、深雕等工藝；短脈衝峰值高、熱影響區小、底紋光滑，但是能量低，適合打黑、打彩、破陽極等表面精細處理工藝；對於既需要一定的能量，又要控制熱影響區範圍的應用，可以選擇中等脈寬，如劃片、劃線工藝等。
清洗應用對激光器光束質量的要求不高，甚至還需要適當大點，薄片金屬焊接等對功率密度敏感應用，則需要保證優良的光束質量。在確認達到效果所需要的激光參數之後，激光的平均功率越高，一般來說加工速度就可以越快，但是激光器的價格也會更貴。
需要指出的是，在有些應用中，平均功率過高也會影響加工的效果，特別是帶來額外的熱影響，在選型時也需要加以注意。
02
振鏡的選擇
振鏡選型時需要考慮以下參數：
（a）激光波長和功率。激光波長和功率決定了鏡片的製作材料，以光纖振鏡為例，目前普通振鏡的製作材料為K9，可以承受的MOPA激光器功率大概在50 W以內，超過50 W功率，建議選用熔融石英材質的振鏡。
（b）入射光闌的大小。目前大部分振鏡的入射光闌直徑為10 mm或12 mm，入射光束直徑要小於振鏡片允許的最大入射光斑直徑，例如入射光束直徑為8 mm，可選擇最大入射光斑為10 mm的振鏡。
（c）振鏡的速度。需要根據產品加工的效果和速度進行匹配振鏡，不同的振鏡馬達能夠達到的速度不一樣，響應時間也不一樣，需要根據實際要求選擇合適的振鏡。
（d）振鏡的精度和穩定性。市場上不同振鏡的平均價格以及使用口碑也對應了在精度、穩定性和溫飄特性上的差別，要根據需求綜合選擇性價比高的振鏡。
03
場鏡的選擇
場鏡的選型主要考慮焦距、幅面、材質和構型。
常用的焦距從110 mm到330 mm甚至更大分為多個檔位。焦距越長，激光焦斑也越大，能達到效果的前提下，加工速度更高，焦距大的場鏡對應的工作幅面也更大。反之，場鏡焦距短則對應的焦斑尺寸小，功率密度高，適合一些精細加工。
特別需要說明的是，長焦場鏡對應光斑的較深也更大，短焦則反之。如果加工工件表面起伏較大或者加工深度較深，則需要加以考慮匹配的焦深，如果仍然無法滿足則考慮增加z軸的運動。
材質方面，場鏡主要採用K9玻璃或者熔石英玻璃，50 W以上建議採用熔石英玻璃。如果需要保證在較大加工幅面上，激光焦點在一個平面上，或者說保證加工平面光斑尺寸相差較小，建議選用遠心場鏡。遠心場鏡相比普通場鏡，鏡片尺寸更大，價格也更貴。
04
擴束鏡
常規MOPA激光器的光斑直徑在6 mm-7mm，如果需要進一步縮小材料表面激光焦斑尺寸，可以採用外加擴束的方式。一方面，擴束鏡的材質也需要根據平均功率進行選型，另一方面，由於擴束鏡外置，需要調節激光的同軸和擴束後輸出光斑的發散角。如圖2所示，擴束鏡主要有兩種典型的構造，對第一種構造，擴束比等於兩個透鏡焦距的比值。
圖2 兩種典型的擴束鏡光路
05
視覺
包括同軸視覺和旁軸視覺，主要是為了加工的同時保證精確定位。通過一塊45度分光鏡，使得1064 nm的激光高反，而從材料反射的可見光高透，如圖3所示。實踐中，如果分光鏡鍍膜不佳，或者安裝角度偏離45度，可能導致激光有較大的衰減。
圖3 激光加工系統配套同軸視覺
07
填充
包括選擇不同的填充方式、填充密度、填充角度以及多個填充圖層等。
特定的填充由控制卡對激光器和振鏡發出控制指令實現，需要明確振鏡跳轉延時和激光器出光延時、關光延時等參數。不當的填充方式設置，有時會導致標記的圖案出現週期性條紋。
08
夾持
對一些網狀、薄片、疊片或者異形結構的材料進行加工時，最好配合適當的工裝以保證加工過程中工件保持穩定或者接觸緊密。
09
保護氣體
在連續激光器切割和焊接應用中，保護性氣體吹掃是一種常用的手段，脈衝激光器工藝中較少用到，但是在一些對加工表面氧化要求很高的場合，可以考慮增加氣體。
10
機臺
標準的機臺只是為了給硬件提供支撐和水平，保持穩定即可。在一些加工幅面很大或者位置精度要求極高的場合，振鏡工作模式往往滿足不了要求，則需要採用固定鏡頭加移動平臺的模式。工件固定在平臺上進行二維移動，通過與控制軟件的配合，可以實現無限幅面的加工。
以上對工藝實踐中常用的硬件配置和配件選型所需要考慮的因素進行了歸納和總結，實踐過程中，參數的細緻優化和可能遇到的問題都更為複雜，需要豐富的經驗和耐心細緻的調試和分析。
文章摘自：光至科技
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