试析高功率半导体激光器在金属材料加工中的应用
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[摘 要]高功率半导体激光器具有体积小以及重量低的优势，能源的消耗量很少，容易对光斑进行调节处理，光电的转换效果较高，被广泛地应用在金属材料焊接加工、表面变相硬化加工与表面熔覆加工中，有助于针对不同型号的合金钢进行连续的焊接处理，形成面积较大并且深度较为均匀的相变硬化层，准确针对熔覆层相关结构进行控制，具有良好的应用作用。
[关键词]高功率半导体激光器;金属材料;加工应用
[中图分类号]TN248.4 [文献标识码]A
在金属材料加工发展的过程中，高功率半导体激光器受到了广泛的重视，合理采用相关技术，有助于提升金属材料的加工效果与水平，充分发挥各方面工作的积极作用，为其后续发展夯实基础。
1 背景分析
激光属于人类在原子能方面、电子计算机方面与半导体方面的又一重大发明，半导体激光器已经开始从同质结以及异质结转变成为量子阱设备。自从上个世纪八十年代开始，分子束外延与金属有机化合物气相外延技術等开始成熟，量子阱类型的半导体激光器已经开始应用到电子计算机领域与通讯领域当中，发展趋势很好。但是，由于半导体激光器在实际应用期间，输出的功率很小，不适合应用在材料的加工环节中。而在半导体激光器冷却系统开发出来以后，其输出的功率有所增加，尤其在芯片集成与微通道热沉等相关技术出现之后，系统的输出功率得到显著提升，到上个世纪九十年代，半导体激光器已经开始应用在金属材料的加工工作中，与传统激光器相较，大功率的半导体激光器设备具有一定的优势，一方面，其占有的空间面积很小，灵活性也很高，可以在较为狭小的空间之内运行，有助于提升应用效果。另一方面，其电转换的效率在60%左右，比二氧化碳激光器的电转换效率高很多，能够节约能源消耗量，减少成本。另外，对于半导体激光器而言，其波长很短，金属材料在其波段之下光吸收效果很高。与此同时，半导体激光器的系统较为稳定，寿命在一千小时左右，体积很小，很容易进行更换处理，因其具有一定的应用优势，有助于提升金属材料的加工效果，充分发挥相关技术在金属材料加工过程中的积极作用，全面提升金属材料的焊接加工、熔覆加工与淬火加工等效果，更好地进行处理。
2 高功率半导体激光器的应用原理与特征
2.1 应用原理分析
采用金属有机气相化学沉积技术方式，在GAAS衬底上面沉积N-ALGAAS，有源区，P-ALGAAS等外延层。对于激光器而言，外延片在后续加工的过程中，可以制作成为激光器，在实际工作方面包括三个要素，其一就是泵浦源药物，其二就是工作物质要素，其三就是谐振腔药物。对于泵浦源而言，在一定程度上能够使得电子从低能态转变到高能态的跃迁动力，在激励方式方面，主要为电注入类型、电子束类型以及光泵浦类型的激励形式;对于工作物质而言，属于不同波长激光的产生内因，在不同的工作物质方面，其具有不同的能级结构，能够出现不同的波长;对于谐振腔而言，主要与平面镜的放射面较为相似，根据GAAS的分析可以发现，其具有一定的光量子的放大作用。
在激光器运行过程中，主要原理就是：泵浦源提供动力支持，电子会从低能态转变成为高能态，其与空穴呈现出不稳定的态势，出现跃迁的现象，跃迁过程中会释放出光子，而光子会在谐振腔之内震荡，电子空穴受到激辐射，出现多种光子，达到高能量光束的输出目的。
2.2 半导体激光垂直堆栈
对于半导体激光器而言，激光芯片主要就是核心发光源，而激光芯片又可以划分成为激光单管与巴条结构。对于激光巴条而言，主要将多个单管组合在一起，将很多巴条封装其中，可以形成整体性的结构，也就是高功率的半导体激光器。在激光巴条方面，其光束还可以划分成为快轴与慢轴两种结构，利用微型的光学透镜，可以全面压缩光束，相关快轴方向发散角为1.15度，慢轴方向发散角为0.17度。在高功率激光垂直叠阵方面，光束实际上就是非相干叠加的具体面阵光源，在巴条数量逐渐增多的情况下，快轴与慢轴方向上的光束也会出现差异，这就需要采用透镜类型的镜组进行分割重新排列，在重新排列之后，有助于使得光束准直聚焦，输出功率达到金属材料的加工处理需求。
2.3 特点分析
对于高功率的半导体激光器而言，与传统的二氧化碳激光器相较，具有较高的使用优势，有助于提升系统的应用效果，充分发挥相关技术的积极作用。具体特点为：第一，体积很小，能源的消耗也很低，在传统二氧化碳激光器实际应用的过程中，主要采用固定的方式进行处理，需要将工件运输到转满的车间加工维修，而对于高功率的半导体激光器而言，其体积很小，有助于创建可以移动的工作站，拓宽应用范围，增强工作效果。第二，相关金属的吸收率很高，在高功率半导体激光器技术在应用过程中，激光波长在近红外的波长区域当中，波长的范围在1000纳米左右，金属材料中的铝材料与合金材料等在此波长区域当中，吸收率很高。第三，系统所输出的功率较为稳定，适合进行金属材料表面的加工处理，例如：在使用过程中相关增益介质可以为激光单管组成的固态结构，能够预防气态增益介质方面的不均匀问题，增强光束的质量。
3 高功率半导体激光器在金属材料加工中的应用
3.1 激光焊接措施
在技术使用期间激光焊接属于传热导类型，也就是利用激光辐射的方式，对金属材料表面进行加热处理，使得相关工件熔化，形成熔池。在控制光斑尺寸的情况下，针对各类形状钢材进行合理的衔接处理，例如：采用对接、搭接与T型等焊接方式，厚度在3毫米左右，焊接速度为每分钟1.6米，在不锈钢材料焊接之后，焊缝具有光滑并且平整的特点，在焊接以后强度能够满足相关金属工件的使用需求，输出功率在1600瓦左右，光斑直径为1.2毫米，熔深为3.7毫米。与其他的激光器技术相较，高功率半导体激光器技术的应用波长很短，相关的金属材料吸收率很高，热影响区域的范围很小，焊接的流程较为稳定，能够预防飞溅问题。与此同时将高功率半导体激光器应用在机械手上面，有助于提升自动化水平。 3.2 激光表面淬火操作
对于淬火技术而言，在实际应用的过程中能够提升金属材料表面的耐磨与耐腐蚀性能，还能确保内部韧性符合要求。高功率半导体激光器技术在金属材料加工领域中具有较为良好的优势，主要表现为：输出光斑的相关能量，会均匀地分布在平顶矩形光束当中，有助于预防能量分布问题所诱发的金属材料表面破坏的现象。与此同时，在金属材料方面，不同激光波长的吸收率有所差異，在高功率半导体激光器方面，其发光的波长很短，吸收效果良好。例如：采用相关技术开展金属材料的淬火处理工作，通常情况下不需要进行前期的处理，可以准确地针对材料加工深度以及厚度进行控制，预防热畸形变形现象。
3.3 表面熔覆分析
在使用激光表面熔覆技术的过程中，有助于将相关高能量密度的激光束辐射到相关金属材料的表面上，吸收光子相关能量，使得温度逐渐增加，在高温的环境之下会形成熔池，在其中添加熔覆材料，可以使得表面出现较为特殊的物理与力学等性能。在此过程中，应制定完善的工作方案，树立正确的观念意识，遵循科学化的技术原则，全面提升各方面技术的应用效果，充分发挥熔覆工作的积极作用。
4 结语
在金属材料实际加工的过程中，应树立正确的观念意识，充分意识到高功率半导体激光器在其中的重要性，采用科学合理的方式提升金属材料的加工效果与水平，更好地完成加工任务。在此过程中应总结丰富的经验，将相关技术正确地应用在金属材料加工环节中，提升工作效果，综合采用相关技术方式，完善金属材料的加工性能，优化各方面工作模式与体系，满足当前的实际发展需求，达到预期的生产加工目的。
[参考文献]
[1] 李学敏，苏国强，翟光美，等.高功率半导体激光器在金属材料加工中的应用[J].太原理工大学学报，2016（02）.
[2] 王猛.大功率半导体激光器耦合特性的研究[D].山东建筑大学，2016（04）.
[3] 许成文.高功率半导体激光器矩形光斑聚焦系统研究[D].华中科技大学，2017（06）.
[收稿日期]2019-01-16
[作者简介]杜晶晶（1982—），河北省衡水市人，硕士研究生，讲师，研究方向：金属材料加工及超声波检测涂层厚度;徐媛（1988—），河北省衡水市人，硕士研究生，助理实验师，研究方向：人力资源管理;于培清（1984—），河北省衡水市人，硕士研究生，讲师，研究方向：材料物理及大学物理课程教学。
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