激光仍然被認(rèn)為是一種奇怪的能量，但一種新型的高性?xún)r(jià)比激光-光纖激光的快速出現(xiàn)可能會(huì)逐漸改變這一點(diǎn)。我們將光纖激光技術(shù)定義為激光束在光纖組件本身實(shí)際生成或放大的技術(shù)，而不是簡(jiǎn)單地通過(guò)光纜從自由空間光學(xué)器件傳輸?shù)焦ぜ?/p>

這些激光器的易用性和可靠性被簡(jiǎn)單地視為黑匣子。因此，它們沒(méi)有其他需要大量復(fù)雜光學(xué)元件的激光類(lèi)型的神秘感。新的激光類(lèi)型和波長(zhǎng)也在出現(xiàn)，這些新的激光波長(zhǎng)正在尋找一些看似不那么奇怪的應(yīng)用程序。本文的主題是焊接透明聚合物的光纖激光器。

激光基礎(chǔ)知識(shí)

回到基礎(chǔ)上，激光束只是一束光能，可以集中在一個(gè)非常小的光點(diǎn)上。這一屬性是許多高功率工業(yè)應(yīng)用激光的原因，如切割和焊接厚鋼。然而，除了這種焦點(diǎn)外，激光束的另一個(gè)特性可能更負(fù)責(zé)其深刻的聲譽(yù)：大多數(shù)激光束產(chǎn)生的光波長(zhǎng)相當(dāng)明顯。

光纖激光器

直到最近，工業(yè)激光材料加工的顯著平均功率只能從非常有限的激光類(lèi)型中獲得——要么發(fā)射近紅外1.07μm波長(zhǎng)范圍的固態(tài)激光，要么發(fā)射10.6μm波長(zhǎng)范圍較長(zhǎng)的二氧化碳?xì)怏w激光。標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)光纖激光器的新版本出現(xiàn)在稱(chēng)為短波長(zhǎng)紅外的中間波長(zhǎng)范圍內(nèi)，產(chǎn)生高達(dá)120瓦的功率。這種2um波長(zhǎng)是通過(guò)在產(chǎn)生激光束的光纖中使用另一種稀土元素（稱(chēng)為摻雜劑）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

物理學(xué)的基本定律告訴我們，光子能量會(huì)隨著波長(zhǎng)的增加而減少。這意味著這些材料在照射不同的材料時(shí)會(huì)有不同的反應(yīng)。由于特定的光子能量通過(guò)共振機(jī)制被特定的分子鍵吸收，這種較長(zhǎng)的波長(zhǎng)以不同的方式被許多不同的分子吸收。

醫(yī)用聚合物領(lǐng)域的人們特別感興趣的是改善CH分子的吸收，這是所有有機(jī)聚合物的背景鏈。最終的結(jié)果是，這種激光束在透明聚合物中的吸收量顯著增加，從而通過(guò)光學(xué)透明聚合物高度控制熔的厚度。

為什么不使用CO2激光器？

對(duì)于舊技術(shù)的二氧化碳激光器，發(fā)射波長(zhǎng)要長(zhǎng)得多，吸收率通常接近100%。如果你想用激光切割聚合物，波長(zhǎng)有很多優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于需要通過(guò)材料厚度控制熔化的聚合物焊接來(lái)說(shuō)，這種高吸收是一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)。由于吸收發(fā)生在零件頂部表面，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能熔化到零件中，以產(chǎn)生更深的焊縫。

激光切割聚合物膜

最近的實(shí)驗(yàn)還表明，雖然大多數(shù)薄材料的吸收可能不足以產(chǎn)生有效的燒蝕和切割，但在50-200微米厚度范圍內(nèi)，一些稍不透明的薄膜可以很容易地用這種技術(shù)切割。

可焊接材料

由于激光束在被聚合物吸收時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量，任何可以通過(guò)超聲波或RF進(jìn)行熱焊接的聚合物或聚合物組合也可以進(jìn)行激光焊接。

應(yīng)用現(xiàn)實(shí)世界

包括醫(yī)療設(shè)備在內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域很多，典型的微流體裝置；和消費(fèi)品。

更柔軟的軟管材料（如聚氯乙烯）和許多新的非聚氯乙烯替代品（如TPE）也可以焊接。這些材料很難以任何其他方式焊接。雖然化學(xué)相容性的規(guī)則不能完全改變，但當(dāng)連接相容性有限的聚合物時(shí)，激光過(guò)程提供了良好的局部溫度控制。

需要精細(xì)連接線(xiàn)的微流體設(shè)備。單模、高焦光纖激光器可提供非常窄的熔線(xiàn)和有限的熱輸入，以盡量減少微通道在提供氣密封時(shí)的變形。然而，在設(shè)計(jì)這些組件時(shí)，需要考慮任何100微米寬的聚合物焊接接頭的強(qiáng)度限制。

概括

這種新波長(zhǎng)在高平均功率下的可用性為醫(yī)療器械和其他行業(yè)的透明聚合物激光焊接技術(shù)帶來(lái)了極大的改進(jìn)和簡(jiǎn)化。對(duì)于醫(yī)療器械最感興趣的聚合物，大多數(shù)熱塑性聚合物（如果不是合物中，不需要額外的吸收劑來(lái)產(chǎn)生幾乎看不見(jiàn)的焊縫。