在激光錫焊工藝?yán)?，激光器堪稱核心中的核心，源源不斷地為焊接過(guò)程提供關(guān)鍵能量。不過(guò)，就像任何精密設(shè)備一樣，激光器在持續(xù)運(yùn)行時(shí)，常面臨形形色色的狀況，這些狀況若得不到及時(shí)處理，會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量、生產(chǎn)效率，乃至整個(gè)生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。接下來(lái)，我們就深入剖析激光器在運(yùn)行過(guò)程中容易遭遇的問(wèn)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(zhǎng)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(huì)逐漸附著在光學(xué)元件表面，改變?cè)墓鈱W(xué)特性。輕微污染時(shí)，會(huì)讓激光傳輸過(guò)程中的能量散射增加；污染嚴(yán)重時(shí)，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(dāng)，都可能劃傷光學(xué)元件，哪怕是細(xì)微的劃痕，也會(huì)干擾光路的正常傳播，造成功率波動(dòng)。此外，激光器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，光學(xué)元件長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境，其材料的物理性質(zhì)會(huì)慢慢發(fā)生變化，像折射率改變等，進(jìn)而影響光路質(zhì)量，導(dǎo)致輸出功率隨時(shí)間逐漸衰減。

（2）熱效應(yīng)引發(fā)的功率問(wèn)題

激光工作物質(zhì)在產(chǎn)生激光的過(guò)程中，會(huì)有大量熱量產(chǎn)生。如果諧振腔內(nèi)的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)使得熱量在腔內(nèi)不斷累積。當(dāng)溫度升高到一定程度，激光增益介質(zhì)的性能會(huì)大打折扣。例如，對(duì)于一些固體激光器中的激光晶體，溫度升高會(huì)導(dǎo)致其能級(jí)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(shí)高時(shí)低的波動(dòng)情況。

（3）泵浦源效率下降所致

不少激光器，像常見(jiàn)的固體激光器和部分氣體激光器，需要依賴外部泵浦源來(lái)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間頻繁使用后，其發(fā)光效率會(huì)降低。這是因?yàn)殚W光燈內(nèi)部的電極會(huì)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(wú)法有效地將激光工作物質(zhì)中的粒子泵浦到高能級(jí)，從而降低了激光器的整體激勵(lì)效率，造成輸出功率衰減。對(duì)于半導(dǎo)體泵浦源，也存在類似問(wèn)題，其內(nèi)部的半導(dǎo)體芯片會(huì)隨著工作時(shí)間增長(zhǎng)，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(jìn)而波及整個(gè)激光器的輸出功率表現(xiàn)。

（4）諧振腔失調(diào)帶來(lái)的功率波動(dòng)

激光器的諧振腔就如同一個(gè)精密的光學(xué)共振器，對(duì)其長(zhǎng)度和反射鏡的位置精度要求極高。在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，機(jī)械振動(dòng)是難以避免的。比如，車間里大型設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)、運(yùn)輸車輛經(jīng)過(guò)引起的地面震動(dòng)等，都可能傳遞到激光器上，使諧振腔的長(zhǎng)度發(fā)生微小變化。此外，激光器工作時(shí)自身產(chǎn)生的熱量，會(huì)導(dǎo)致諧振腔材料熱脹冷縮，同樣會(huì)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(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)，甚至可能導(dǎo)致激光器無(wú)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(dāng)激光增益介質(zhì)吸收泵浦光能量產(chǎn)生激光時(shí)，會(huì)伴隨大量熱量產(chǎn)生。這些熱量會(huì)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(huì)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(gè)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(huì)隨著增益介質(zhì)溫度的變化而改變，從而對(duì)通過(guò)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(duì)于需要高精度光束質(zhì)量的激光錫焊應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種熱透鏡效應(yīng)嚴(yán)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(dāng)外界條件，如溫度、濕度、泵浦功率等發(fā)生微小變化時(shí)，可能會(huì)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(dāng)泵浦功率不變時(shí)，激光器可能無(wú)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(huì)導(dǎo)致輸出光束的能量分布和傳播特性發(fā)生變化，嚴(yán)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(diǎn)質(zhì)量參差不齊。

（3）背向反射干擾正常模式

在激光傳輸過(guò)程中，部分激光束會(huì)由于各種原因被反射回諧振腔，這種背向反射對(duì)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(qiáng)的背向反射光產(chǎn)生。這些背向反射光進(jìn)入諧振腔后，會(huì)與腔內(nèi)原本的激光場(chǎng)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(qiáng)度分布不均勻等現(xiàn)象，進(jìn)而影響激光錫焊的質(zhì)量，如導(dǎo)致焊點(diǎn)虛焊、焊料飛濺等問(wèn)題。

三、光譜漂移現(xiàn)象探究

（1）溫度變化導(dǎo)致波長(zhǎng)偏移

激光材料對(duì)溫度極為敏感，大多數(shù)激光器的發(fā)射波長(zhǎng)會(huì)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(huì)隨溫度升高而變窄，根據(jù)半導(dǎo)體物理原理，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)射光子的能量降低，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變長(zhǎng)。在實(shí)際的激光錫焊應(yīng)用中，激光器工作環(huán)境溫度可能會(huì)因?yàn)檐囬g空調(diào)故障、夏季高溫等原因出現(xiàn)較大波動(dòng)。當(dāng)溫度變化范圍超過(guò)激光器的正常工作溫度區(qū)間時(shí)，光譜就會(huì)明顯漂移。這種波長(zhǎng)漂移對(duì)于一些對(duì)激光波長(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致焊接效果不佳，因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的激光與材料的相互作用機(jī)制和能量吸收效率不同。

（2）泵浦功率波動(dòng)引發(fā)波長(zhǎng)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(dāng)泵浦功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，增益介質(zhì)內(nèi)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布情況也會(huì)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(jí)，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(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，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(guò)程中，如果泵浦功率波動(dòng)導(dǎo)致光譜展寬或漂移，可能會(huì)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(wèn)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(lái)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(guò)程具有一定的隨機(jī)性，即使在理想的激光器工作狀態(tài)下，這種量子漲落也會(huì)導(dǎo)致輸出功率存在微小的隨機(jī)波動(dòng)。尤其是在低功率操作時(shí)，由于信號(hào)本身較弱，量子噪聲的相對(duì)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(huì)影響對(duì)焊接質(zhì)量的精確控制，例如在焊接超精細(xì)電子元件時(shí)，量子噪聲引起的功率波動(dòng)可能導(dǎo)致焊點(diǎn)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(guò)程。自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子具有隨機(jī)的相位和方向，當(dāng)這些自發(fā)輻射光子在增益介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)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(huì)疊加在激光器的輸出信號(hào)上，導(dǎo)致輸出功率的隨機(jī)波動(dòng)增大。例如，在高增益的光纖激光器中，由于光纖長(zhǎng)度較長(zhǎng)，自發(fā)輻射光子有更多機(jī)會(huì)被放大，放大自發(fā)輻射噪聲的問(wèn)題就更為突出。在激光錫焊中，放大自發(fā)輻射噪聲可能會(huì)使焊接過(guò)程中的能量輸入不穩(wěn)定，影響焊點(diǎn)的質(zhì)量一致性，增加廢品率。

（3）機(jī)械振動(dòng)引入額外噪聲

外部環(huán)境的振動(dòng)，如車間內(nèi)大型機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)、車輛行駛引起的地面震動(dòng)等，或者激光器內(nèi)部冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇的不平衡運(yùn)轉(zhuǎn)、泵浦源的機(jī)械振動(dòng)等，都可能通過(guò)機(jī)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(dòng)會(huì)導(dǎo)致諧振腔的長(zhǎng)度、反射鏡的角度等發(fā)生微小變化，進(jìn)而引起激光器輸出功率的波動(dòng)，產(chǎn)生額外的噪聲。在激光錫焊過(guò)程中，這種因機(jī)械振動(dòng)引入的噪聲可能會(huì)使焊接過(guò)程不穩(wěn)定，出現(xiàn)焊點(diǎn)不牢固、焊料飛濺等問(wèn)題，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

五、激光器損壞原因分析

（1）過(guò)熱引發(fā)的致命損傷

激光器在工作時(shí)，內(nèi)部會(huì)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(wú)法及時(shí)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(dāng)溫度超過(guò)這些部件所能承受的極限時(shí)，會(huì)引發(fā)一系列嚴(yán)重問(wèn)題。對(duì)于激光晶體，過(guò)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(yán)重退化，甚至完全損壞。對(duì)于半導(dǎo)體激光器，過(guò)熱會(huì)使芯片的電學(xué)性能惡化，縮短其使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(dāng)電源出現(xiàn)異常，如電網(wǎng)電壓波動(dòng)、電源內(nèi)部電路故障等，可能會(huì)產(chǎn)生浪涌電流或電壓尖峰。半導(dǎo)體激光器對(duì)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(huì)在半導(dǎo)體芯片內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)高的功耗，導(dǎo)致芯片局部過(guò)熱，進(jìn)而燒毀芯片的 PN 結(jié)。即使沒(méi)有立即燒毀，多次的電流或電壓尖峰沖擊也會(huì)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(méi)有安裝有效的電源穩(wěn)壓和浪涌保護(hù)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(qiáng)度，即激光損傷閾值。當(dāng)激光器輸出的激光強(qiáng)度超過(guò)光學(xué)元件的損傷閾值時(shí)，會(huì)對(duì)元件造成不可逆的損壞。例如，鏡片表面可能會(huì)出現(xiàn)燒蝕坑、裂紋，透鏡可能會(huì)發(fā)生破裂等。這種情況通常發(fā)生在激光器調(diào)試不當(dāng)、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(guò)程中，如果光學(xué)元件因超過(guò)激光損傷閾值而損壞，會(huì)直接影響激光的傳輸和聚焦效果，導(dǎo)致焊接無(wú)法正常進(jìn)行，并且更換損壞的光學(xué)元件不僅成本高昂，還會(huì)造成生產(chǎn)中斷，影響生產(chǎn)效率。

六、應(yīng)對(duì)激光器運(yùn)行問(wèn)題的策略

（1）定期維護(hù)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(duì)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(wú)塵擦拭布、高純度酒精等，定期進(jìn)行表面清潔，去除污染物。同時(shí)，利用高精度的光學(xué)檢測(cè)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(wèn)題，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)或更換。例如，對(duì)于輕微劃傷的鏡片，可以采用專業(yè)的拋光工藝進(jìn)行修復(fù)；對(duì)于嚴(yán)重?fù)p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(yùn)行。

（2）優(yōu)化冷卻系統(tǒng)

首先，要確保冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)補(bǔ)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(shí)，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(duì)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(yùn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻介質(zhì)的溫度，并通過(guò)控制系統(tǒng)自動(dòng)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(duì)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(hù)裝置。在電源選型時(shí)，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(shí)，安裝電源濾波器，減少電網(wǎng)中的雜波和干擾對(duì)電源輸出的影響。對(duì)于一些對(duì)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(shí)，激光器仍能正常工作一段時(shí)間，避免因突然斷電造成的設(shè)備損壞。此外，定期對(duì)電源進(jìn)行維護(hù)和檢測(cè)，檢查電源內(nèi)部電路元件的工作狀態(tài)，及時(shí)更換老化或損壞的元件，保證電源的穩(wěn)定輸出。

（4）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)調(diào)節(jié)

在科研和工業(yè)應(yīng)用中，利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光器的關(guān)鍵參數(shù)，如功率、波長(zhǎng)、光束質(zhì)量、溫度等。通過(guò)在激光器的輸出端安裝功率傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出功率的變化；利用光譜分析儀監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)的漂移情況；采用光束質(zhì)量分析儀檢測(cè)光束的光斑形態(tài)、發(fā)散角等參數(shù)。一旦監(jiān)測(cè)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(dòng)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(zhǎng)度或反射鏡的角度等，以確保激光器性能的穩(wěn)定。例如，當(dāng)監(jiān)測(cè)到功率下降時(shí)，控制系統(tǒng)可以自動(dòng)增加泵浦源的電流，提高激勵(lì)效率；當(dāng)檢測(cè)到波長(zhǎng)漂移時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)諧振腔的溫度或長(zhǎng)度，使波長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)（單工位）配備了先進(jìn)的激光系統(tǒng)，針對(duì)激光器可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題，從設(shè)備設(shè)計(jì)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(guò)精心優(yōu)化，散熱效率高且穩(wěn)定性強(qiáng)；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(xiǎn)。同時(shí)，設(shè)備集成了智能化的監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控激光器的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在問(wèn)題，確保激光錫焊過(guò)程的高效、穩(wěn)定進(jìn)行，為電子制造等行業(yè)的精密焊接需求提供了堅(jiān)實(shí)可靠的技術(shù)支持。

審核編輯 黃宇