在激光錫焊工藝里，激光器堪稱核心中的核心，源源不斷地為焊接過程提供關(guān)鍵能量。不過，就像任何精密設(shè)備一樣，激光器在持續(xù)運行時，常面臨形形色色的狀況，這些狀況若得不到及時處理，會對焊接質(zhì)量、生產(chǎn)效率，乃至整個生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性造成嚴重影響。接下來，我們就深入剖析激光器在運行過程中容易遭遇的問題，并探討相應(yīng)的解決辦法。

一、功率不穩(wěn)定或衰減難題剖析

（1）光學(xué)元件老化影響

光學(xué)元件，比如鏡片、透鏡等，長期處于復(fù)雜的工作環(huán)境下，極易遭受污染。在激光錫焊車間里，空氣中可能懸浮著金屬粉塵、助焊劑揮發(fā)顆粒等污染物，它們會逐漸附著在光學(xué)元件表面，改變元件的光學(xué)特性。輕微污染時，會讓激光傳輸過程中的能量散射增加；污染嚴重時，甚至可能導(dǎo)致部分光線被吸收，從而使輸出功率下降。而且，在日常生產(chǎn)操作中，若不小心觸碰或安裝不當，都可能劃傷光學(xué)元件，哪怕是細微的劃痕，也會干擾光路的正常傳播，造成功率波動。此外，激光器工作時會產(chǎn)生大量熱量，光學(xué)元件長時間處于高溫環(huán)境，其材料的物理性質(zhì)會慢慢發(fā)生變化，像折射率改變等，進而影響光路質(zhì)量，導(dǎo)致輸出功率隨時間逐漸衰減。

（2）熱效應(yīng)引發(fā)的功率問題

激光工作物質(zhì)在產(chǎn)生激光的過程中，會有大量熱量產(chǎn)生。如果諧振腔內(nèi)的散熱系統(tǒng)設(shè)計不夠合理，或者冷卻介質(zhì)（如水冷系統(tǒng)中的水）流量不足、散熱鰭片積塵影響散熱效率等，就會使得熱量在腔內(nèi)不斷累積。當溫度升高到一定程度，激光增益介質(zhì)的性能會大打折扣。例如，對于一些固體激光器中的激光晶體，溫度升高會導(dǎo)致其能級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受到影響，最終使得激光器輸出功率降低，并且這種溫度變化還可能導(dǎo)致功率不穩(wěn)定，出現(xiàn)時高時低的波動情況。

（3）泵浦源效率下降所致

不少激光器，像常見的固體激光器和部分氣體激光器，需要依賴外部泵浦源來激發(fā)激光工作物質(zhì)。以閃光燈泵浦的固體激光器為例，閃光燈經(jīng)過長時間頻繁使用后，其發(fā)光效率會降低。這是因為閃光燈內(nèi)部的電極會逐漸磨損，發(fā)光材料性能衰退，導(dǎo)致輸出的光能量減弱，無法有效地將激光工作物質(zhì)中的粒子泵浦到高能級，從而降低了激光器的整體激勵效率，造成輸出功率衰減。對于半導(dǎo)體泵浦源，也存在類似問題，其內(nèi)部的半導(dǎo)體芯片會隨著工作時間增長，出現(xiàn)老化、性能退化等情況，影響泵浦光的輸出功率和穩(wěn)定性，進而波及整個激光器的輸出功率表現(xiàn)。

（4）諧振腔失調(diào)帶來的功率波動

激光器的諧振腔就如同一個精密的光學(xué)共振器，對其長度和反射鏡的位置精度要求極高。在實際生產(chǎn)環(huán)境中，機械振動是難以避免的。比如，車間里大型設(shè)備的運轉(zhuǎn)、運輸車輛經(jīng)過引起的地面震動等，都可能傳遞到激光器上，使諧振腔的長度發(fā)生微小變化。此外，激光器工作時自身產(chǎn)生的熱量，會導(dǎo)致諧振腔材料熱脹冷縮，同樣會改變諧振腔的尺寸和反射鏡的位置。一旦諧振腔失調(diào)，光在腔內(nèi)的共振條件被破壞，原本能夠穩(wěn)定振蕩輸出的激光，其功率就會出現(xiàn)大幅波動，甚至可能導(dǎo)致激光器無法正常工作。

二、模式不穩(wěn)定狀況解析

（1）熱透鏡效應(yīng)干擾光束質(zhì)量

當激光增益介質(zhì)吸收泵浦光能量產(chǎn)生激光時，會伴隨大量熱量產(chǎn)生。這些熱量會使增益介質(zhì)內(nèi)部溫度分布不均勻，中心區(qū)域溫度高，邊緣區(qū)域溫度低。由于物質(zhì)的折射率通常與溫度有關(guān)，這種溫度差異會導(dǎo)致增益介質(zhì)的折射率呈現(xiàn)梯度變化，類似于在介質(zhì)中形成了一個虛擬的透鏡，這就是熱透鏡效應(yīng)。熱透鏡的焦距和光軸方向會隨著增益介質(zhì)溫度的變化而改變，從而對通過其中的激光光束產(chǎn)生聚焦或發(fā)散作用，使得原本質(zhì)量良好的光束發(fā)生變形，光斑形態(tài)變得不均勻，發(fā)散角增大。對于需要高精度光束質(zhì)量的激光錫焊應(yīng)用來說，這種熱透鏡效應(yīng)嚴重影響了焊接的精度和質(zhì)量。

（2）模式跳躍影響輸出穩(wěn)定性

激光器的工作模式與諧振腔內(nèi)的多種因素相關(guān)，包括增益介質(zhì)的特性、諧振腔的結(jié)構(gòu)以及外界環(huán)境條件等。當外界條件，如溫度、濕度、泵浦功率等發(fā)生微小變化時，可能會引起激光器工作模式的閾值發(fā)生改變。例如，溫度升高可能導(dǎo)致增益介質(zhì)的增益系數(shù)下降，使得原本處于穩(wěn)定單模工作狀態(tài)的激光器，其單模閾值升高。當泵浦功率不變時，激光器可能無法維持單模工作，而跳到多模工作狀態(tài)，或者在不同模式之間頻繁跳躍。這種模式跳躍會導(dǎo)致輸出光束的能量分布和傳播特性發(fā)生變化，嚴重影響激光器輸出的穩(wěn)定性，在激光錫焊中表現(xiàn)為焊接效果不一致，焊點質(zhì)量參差不齊。

（3）背向反射干擾正常模式

在激光傳輸過程中，部分激光束會由于各種原因被反射回諧振腔，這種背向反射對于某些類型的激光器，尤其是光纖激光器，影響尤為顯著。在光纖激光器中，光纖連接部位的菲涅爾反射、光纖端面的污染或損傷等，都可能導(dǎo)致較強的背向反射光產(chǎn)生。這些背向反射光進入諧振腔后，會與腔內(nèi)原本的激光場發(fā)生干涉，干擾正常的激光振蕩模式。它可能改變激光器的諧振頻率，使得激光器輸出的光束質(zhì)量下降，出現(xiàn)光斑分裂、強度分布不均勻等現(xiàn)象，進而影響激光錫焊的質(zhì)量，如導(dǎo)致焊點虛焊、焊料飛濺等問題。

三、光譜漂移現(xiàn)象探究

（1）溫度變化導(dǎo)致波長偏移

激光材料對溫度極為敏感，大多數(shù)激光器的發(fā)射波長會隨著溫度的變化而發(fā)生偏移。以半導(dǎo)體激光器為例，其有源區(qū)的禁帶寬度會隨溫度升高而變窄，根據(jù)半導(dǎo)體物理原理，這會導(dǎo)致發(fā)射光子的能量降低，對應(yīng)的波長變長。在實際的激光錫焊應(yīng)用中，激光器工作環(huán)境溫度可能會因為車間空調(diào)故障、夏季高溫等原因出現(xiàn)較大波動。當溫度變化范圍超過激光器的正常工作溫度區(qū)間時，光譜就會明顯漂移。這種波長漂移對于一些對激光波長精度要求極高的焊接工藝，如特定金屬材料的精密焊接，可能會導(dǎo)致焊接效果不佳，因為不同波長的激光與材料的相互作用機制和能量吸收效率不同。

（2）泵浦功率波動引發(fā)波長改變

泵浦源作為激光器的能量注入裝置，其輸出功率的穩(wěn)定性直接影響著激光增益介質(zhì)的激發(fā)程度。當泵浦功率發(fā)生波動時，增益介質(zhì)內(nèi)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布情況也會隨之改變。以固體激光器為例，泵浦功率增大，更多的粒子被泵浦到高能級，使得增益介質(zhì)的增益系數(shù)增大，從而影響激光器的輸出波長。一般來說，泵浦功率的不穩(wěn)定可能源于電源的紋波較大、泵浦源內(nèi)部電路元件的老化或故障等原因。在激光錫焊過程中，如果泵浦功率波動導(dǎo)致光譜展寬或漂移，可能會使激光能量在焊接區(qū)域的分布發(fā)生變化，影響焊接的均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性。

四、噪聲增大問題解析

（1）量子噪聲的固有影響

量子噪聲是所有激光器內(nèi)在固有的噪聲來源，它源于光子的量子漲落特性。根據(jù)量子力學(xué)原理，光子的產(chǎn)生和湮滅過程具有一定的隨機性，即使在理想的激光器工作狀態(tài)下，這種量子漲落也會導(dǎo)致輸出功率存在微小的隨機波動。尤其是在低功率操作時，由于信號本身較弱，量子噪聲的相對影響就更為明顯。在激光錫焊應(yīng)用中，這種量子噪聲雖然難以完全消除，但它可能會影響對焊接質(zhì)量的精確控制，例如在焊接超精細電子元件時，量子噪聲引起的功率波動可能導(dǎo)致焊點的尺寸和形狀出現(xiàn)微小偏差，影響元件的電氣性能和可靠性。

（2）放大自發(fā)輻射噪聲干擾

在激光增益介質(zhì)中，除了受激輻射產(chǎn)生激光外，還存在自發(fā)輻射過程。自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子具有隨機的相位和方向，當這些自發(fā)輻射光子在增益介質(zhì)中傳播時，會被增益介質(zhì)放大，從而產(chǎn)生放大自發(fā)輻射噪聲。這種噪聲會疊加在激光器的輸出信號上，導(dǎo)致輸出功率的隨機波動增大。例如，在高增益的光纖激光器中，由于光纖長度較長，自發(fā)輻射光子有更多機會被放大，放大自發(fā)輻射噪聲的問題就更為突出。在激光錫焊中，放大自發(fā)輻射噪聲可能會使焊接過程中的能量輸入不穩(wěn)定，影響焊點的質(zhì)量一致性，增加廢品率。

（3）機械振動引入額外噪聲

外部環(huán)境的振動，如車間內(nèi)大型機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)、車輛行駛引起的地面震動等，或者激光器內(nèi)部冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇的不平衡運轉(zhuǎn)、泵浦源的機械振動等，都可能通過機械傳導(dǎo)或聲學(xué)耦合的方式傳遞到激光器的光學(xué)元件和諧振腔上。這些振動會導(dǎo)致諧振腔的長度、反射鏡的角度等發(fā)生微小變化，進而引起激光器輸出功率的波動，產(chǎn)生額外的噪聲。在激光錫焊過程中，這種因機械振動引入的噪聲可能會使焊接過程不穩(wěn)定，出現(xiàn)焊點不牢固、焊料飛濺等問題，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

五、激光器損壞原因分析

（1）過熱引發(fā)的致命損傷

激光器在工作時，內(nèi)部會產(chǎn)生大量熱量，如果散熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障，比如水冷系統(tǒng)的水泵損壞、冷卻液泄漏，風(fēng)冷系統(tǒng)的風(fēng)扇停轉(zhuǎn)、散熱片堵塞等，熱量就無法及時有效地散發(fā)出去，導(dǎo)致激光晶體、半導(dǎo)體芯片等關(guān)鍵部件溫度急劇升高。當溫度超過這些部件所能承受的極限時，會引發(fā)一系列嚴重問題。對于激光晶體，過熱可能導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，出現(xiàn)熱應(yīng)力裂紋，使晶體的光學(xué)性能嚴重退化，甚至完全損壞。對于半導(dǎo)體激光器，過熱會使芯片的電學(xué)性能惡化，縮短其使用壽命，嚴重時會直接燒毀芯片，導(dǎo)致激光器完全停止工作。

（2）電流或電壓尖峰的危害

電源是為激光器提供能量的關(guān)鍵部分，當電源出現(xiàn)異常，如電網(wǎng)電壓波動、電源內(nèi)部電路故障等，可能會產(chǎn)生浪涌電流或電壓尖峰。半導(dǎo)體激光器對電流和電壓的變化非常敏感，這些瞬間的高電流或高電壓沖擊，可能會在半導(dǎo)體芯片內(nèi)部產(chǎn)生過高的功耗，導(dǎo)致芯片局部過熱，進而燒毀芯片的 PN 結(jié)。即使沒有立即燒毀，多次的電流或電壓尖峰沖擊也會使半導(dǎo)體激光器的性能逐漸下降，壽命大幅縮短。在使用市電供電的激光錫焊設(shè)備中，如果沒有安裝有效的電源穩(wěn)壓和浪涌保護裝置，激光器就極易受到電流或電壓尖峰的威脅。

（3）激光損傷閾值超限后果

光學(xué)元件都有其所能承受的最大激光強度，即激光損傷閾值。當激光器輸出的激光強度超過光學(xué)元件的損傷閾值時，會對元件造成不可逆的損壞。例如，鏡片表面可能會出現(xiàn)燒蝕坑、裂紋，透鏡可能會發(fā)生破裂等。這種情況通常發(fā)生在激光器調(diào)試不當、光學(xué)元件質(zhì)量不佳或者激光能量意外增大等情況下。在激光錫焊過程中，如果光學(xué)元件因超過激光損傷閾值而損壞，會直接影響激光的傳輸和聚焦效果，導(dǎo)致焊接無法正常進行，并且更換損壞的光學(xué)元件不僅成本高昂，還會造成生產(chǎn)中斷，影響生產(chǎn)效率。

六、應(yīng)對激光器運行問題的策略

（1）定期維護光學(xué)元件

建立定期的光學(xué)元件清潔和檢查制度至關(guān)重要。對于鏡片和透鏡等光學(xué)元件，應(yīng)使用專業(yè)的光學(xué)清潔工具和試劑，如無塵擦拭布、高純度酒精等，定期進行表面清潔，去除污染物。同時，利用高精度的光學(xué)檢測設(shè)備，如干涉儀、顯微鏡等，檢查光學(xué)元件是否有劃傷、磨損等情況。一旦發(fā)現(xiàn)光學(xué)元件出現(xiàn)問題，應(yīng)及時進行修復(fù)或更換。例如，對于輕微劃傷的鏡片，可以采用專業(yè)的拋光工藝進行修復(fù)；對于嚴重損壞的光學(xué)元件，則需更換全新的合格產(chǎn)品，以確保光路的正常傳輸和激光器的穩(wěn)定運行。

（2）優(yōu)化冷卻系統(tǒng)

首先，要確保冷卻系統(tǒng)的設(shè)計與激光器的散熱需 求相匹配。根據(jù)激光器的功率大小、工作物質(zhì)類型等因素，合理選擇冷卻方式（水冷或風(fēng)冷）和冷卻介質(zhì)。對于水冷系統(tǒng)，要定期檢查冷卻液的液位、純度和酸堿度，及時補充和更換冷卻液，防止冷卻液變質(zhì)導(dǎo)致散熱性能下降。同時，檢查水泵的工作狀態(tài)，確保其能夠提供足夠的冷卻液流量。對于風(fēng)冷系統(tǒng)，要定期清理散熱片上的灰塵，保證風(fēng)扇的正常運轉(zhuǎn)，提高散熱效率。此外，還可以在冷卻系統(tǒng)中安裝溫度傳感器，實時監(jiān)測冷卻介質(zhì)的溫度，并通過控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的工作參數(shù)，確保激光器在適宜的溫度范圍內(nèi)工作。

（3）采用穩(wěn)定電源供應(yīng)

為了避免電流或電壓尖峰對激光器造成損害，應(yīng)采用高質(zhì)量、穩(wěn)定性好的電源，并配備完善的電源穩(wěn)壓和浪涌保護裝置。在電源選型時，要根據(jù)激光器的功率需求和電氣特性，選擇合適的電源規(guī)格。同時，安裝電源濾波器，減少電網(wǎng)中的雜波和干擾對電源輸出的影響。對于一些對電源穩(wěn)定性要求極高的激光器，還可以采用不間斷電源（UPS）供電，確保在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，激光器仍能正常工作一段時間，避免因突然斷電造成的設(shè)備損壞。此外，定期對電源進行維護和檢測，檢查電源內(nèi)部電路元件的工作狀態(tài)，及時更換老化或損壞的元件，保證電源的穩(wěn)定輸出。

（4）實時監(jiān)測與自動調(diào)節(jié)

在科研和工業(yè)應(yīng)用中，利用先進的傳感器技術(shù)和自動化控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測激光器的關(guān)鍵參數(shù)，如功率、波長、光束質(zhì)量、溫度等。通過在激光器的輸出端安裝功率傳感器，實時監(jiān)測輸出功率的變化；利用光譜分析儀監(jiān)測波長的漂移情況；采用光束質(zhì)量分析儀檢測光束的光斑形態(tài)、發(fā)散角等參數(shù)。一旦監(jiān)測到參數(shù)出現(xiàn)異常，控制系統(tǒng)能夠迅速做出反應(yīng)，自動調(diào)節(jié)相關(guān)工作參數(shù)，如調(diào)整泵浦源的電流、改變諧振腔的長度或反射鏡的角度等，以確保激光器性能的穩(wěn)定。例如，當監(jiān)測到功率下降時，控制系統(tǒng)可以自動增加泵浦源的電流，提高激勵效率；當檢測到波長漂移時，通過調(diào)節(jié)諧振腔的溫度或長度，使波長恢復(fù)到正常范圍。

大研智造在激光錫焊領(lǐng)域深耕多年，旗下的激光錫球焊標準機（單工位）配備了先進的激光系統(tǒng)，針對激光器可能出現(xiàn)的各種問題，從設(shè)備設(shè)計源頭就采取了多重保障措施。其光學(xué)元件選用高品質(zhì)材料，具備良好的抗污染和抗劃傷性能；冷卻系統(tǒng)經(jīng)過精心優(yōu)化，散熱效率高且穩(wěn)定性強；電源供應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，有效降低了電流或電壓尖峰的風(fēng)險。同時，設(shè)備集成了智能化的監(jiān)測與控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)控激光器的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，確保激光錫焊過程的高效、穩(wěn)定進行，為電子制造等行業(yè)的精密焊接需求提供了堅實可靠的技術(shù)支持。

審核編輯 黃宇