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鍵能量。不過，就像任何精密設備一樣，激光器在持續運行時，常面臨形形色色的狀況，這些狀況若得不到及時處理，會對焊接質量、生產效率，乃至整個生產流程的穩定性造成嚴重影響。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，并探討相應的解決辦法。

一、功率不穩定或衰減難題剖析

（1）光學元件老化影響

光學元件，比如鏡片、透鏡等，長期處于復雜的工作環境下，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、助焊劑揮發顆粒等污染物，它們會逐漸附著在光學元件表面，改變元件的光學特性。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，甚至可能導致部分光線被吸收，從而使輸出功率下降。而且，在日常生產操作中，若不小心觸碰或安裝不當，都可能劃傷光學元件，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，激光器工作時會產生大量熱量，光學元件長時間處于高溫環境，其材料的物理性質會慢慢發生變化，像折射率改變等，進而影響光路質量，導致輸出功率隨時間逐漸衰減。

（2）熱效應引發的功率問題

激光工作物質在產生激光的過程中，會有大量熱量產生。如果諧振腔內的散熱系統設計不夠合理，或者冷卻介質（如水冷系統中的水）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不斷累積。當溫度升高到一定程度，激光增益介質的性能會大打折扣。例如，對于一些固體激光器中的激光晶體，溫度升高會導致其能級結構發生變化，粒子數反轉分布受到影響，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致功率不穩定，出現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激光工作物質。以閃光燈泵浦的固體激光器為例，閃光燈經過長時間頻繁使用后，其發光效率會降低。這是因為閃光燈內部的電極會逐漸磨損，發光材料性能衰退，導致輸出的光能量減弱，無法有效地將激光工作物質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。對于半導體泵浦源，也存在類似問題，其內部的半導體芯片會隨著工作時間增長，出現老化、性能退化等情況，影響泵浦光的輸出功率和穩定性，進而波及整個激光器的輸出功率表現。

（4）諧振腔失調帶來的功率波動

激光器的諧振腔就如同一個精密的光學共振器，對其長度和反射鏡的位置精度要求極高。在實際生產環境中，機械振動是難以避免的。比如，車間里大型設備的運轉、運輸車輛經過引起的地面震動等，都可能傳遞到激光器上，使諧振腔的長度發生微小變化。此外，激光器工作時自身產生的熱量，會導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，光在腔內的共振條件被破壞，原本能夠穩定振蕩輸出的激光，其功率就會出現大幅波動，甚至可能導致激光器無法正常工作。

二、模式不穩定狀況解析

（1）熱透鏡效應干擾光束質量

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

（2）模式跳躍影響輸出穩定性

激光器的工作模式與諧振腔內的多種因素相關，包括增益介質的特性、諧振腔的結構以及外界環境條件等。當外界條件，如溫度、濕度、泵浦功率等發生微小變化時，可能會引起激光器工作模式的閾值發生改變。例如，溫度升高可能導致增益介質的增益系數下降，使得原本處于穩定單模工作狀態的激光器，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，或者在不同模式之間頻繁跳躍。這種模式跳躍會導致輸出光束的能量分布和傳播特性發生變化，嚴重影響激光器輸出的穩定性，在激光錫焊中表現為焊接效果不一致，焊點質量參差不齊。

（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，都可能導致較強的背向反射光產生。這些背向反射光進入諧振腔后，會與腔內原本的激光場發生干涉，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量下降，出現光斑分裂、強度分布不均勻等現象，進而影響激光錫焊的質量，如導致焊點虛焊、焊料飛濺等問題。

三、光譜漂移現象探究

（1）溫度變化導致波長偏移

激光材料對溫度極為敏感，大多數激光器的發射波長會隨著溫度的變化而發生偏移。以半導體激光器為例，其有源區的禁帶寬度會隨溫度升高而變窄，根據半導體物理原理，這會導致發射光子的能量降低，對應的波長變長。在實際的激光錫焊應用中，激光器工作環境溫度可能會因為車間空調故障、夏季高溫等原因出現較大波動。當溫度變化范圍超過激光器的正常工作溫度區間時，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，其輸出功率的穩定性直接影響著激光增益介質的激發程度。當泵浦功率發生波動時，增益介質內的粒子數反轉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，使得增益介質的增益系數增大，從而影響激光器的輸出波長。一般來說，泵浦功率的不穩定可能源于電源的紋波較大、泵浦源內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致光譜展寬或漂移，可能會使激光能量在焊接區域的分布發生變化，影響焊接的均勻性和質量穩定性。

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在固有的噪聲來源，它源于光子的量子漲落特性。根據量子力學原理，光子的產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下，這種量子漲落也會導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致焊點的尺寸和形狀出現微小偏差，影響元件的電氣性能和可靠性。

（2）放大自發輻射噪聲干擾

在激光增益介質中，除了受激輻射產生激光外，還存在自發輻射過程。自發輻射產生的光子具有隨機的相位和方向，當這些自發輻射光子在增益介質中傳播時，會被增益介質放大，從而產生放大自發輻射噪聲。這種噪聲會疊加在激光器的輸出信號上，導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，自發輻射光子有更多機會被放大，放大自發輻射噪聲的問題就更為突出。在激光錫焊中，放大自發輻射噪聲可能會使焊接過程中的能量輸入不穩定，影響焊點的質量一致性，增加廢品率。

（3）機械振動引入額外噪聲

外部環境的振動，如車間內大型機械設備的運轉、車輛行駛引起的地面震動等，或者激光器內部冷卻系統風扇的不平衡運轉、泵浦源的機械振動等，都可能通過機械傳導或聲學耦合的方式傳遞到激光器的光學元件和諧振腔上。這些振動會導致諧振腔的長度、反射鏡的角度等發生微小變化，進而引起激光器輸出功率的波動，產生額外的噪聲。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定，出現焊點不牢固、焊料飛濺等問題，嚴重影響產品質量。

五、激光器損壞原因分析

（1）過熱引發的致命損傷

激光器在工作時，內部會產生大量熱量，如果散熱系統出現故障，比如水冷系統的水泵損壞、冷卻液泄漏，風冷系統的風扇停轉、散熱片堵塞等，熱量就無法及時有效地散發出去，導致激光晶體、半導體芯片等關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，會引發一系列嚴重問題。對于激光晶體，過熱可能導致其內部結構發生變化，出現熱應力裂紋，使晶體的光學性能嚴重退化，甚至完全損壞。對于半導體激光器，過熱會使芯片的電學性能惡化，縮短其使用壽命，嚴重時會直接燒毀芯片，導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鍵部分，當電源出現異常，如電網電壓波動、電源內部電路故障等，可能會產生浪涌電流或電壓尖峰。半導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，可能會在半導體芯片內部產生過高的功耗，導致芯片局部過熱，進而燒毀芯片的 PN 結。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備中，如果沒有安裝有效的電源穩壓和浪涌保護裝置，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燒蝕坑、裂紋，透鏡可能會發生破裂等。這種情況通常發生在激光器調試不當、光學元件質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，導致焊接無法正常進行，并且更換損壞的光學元件不僅成本高昂，還會造成生產中斷，影響生產效率。

六、應對激光器運行問題的策略

（1）定期維護光學元件

建立定期的光學元件清潔和檢查制度至關重要。對于鏡片和透鏡等光學元件，應使用專業的光學清潔工具和試劑，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，利用高精度的光學檢測設備，如干涉儀、顯微鏡等，檢查光學元件是否有劃傷、磨損等情況。一旦發現光學元件出現問題，應及時進行修復或更換。例如，對于輕微劃傷的鏡片，可以采用專業的拋光工藝進行修復；對于嚴重損壞的光學元件，則需更換全新的合格產品，以確保光路的正常傳輸和激光器的穩定運行。

（2）優化冷卻系統

首先，要確保冷卻系統的設計與激光器的散熱需 求相匹配。根據激光器的功率大小、工作物質類型等因素，合理選擇冷卻方式（水冷或風冷）和冷卻介質。對于水冷系統，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，防止冷卻液變質導致散熱性能下降。同時，檢查水泵的工作狀態，確保其能夠提供足夠的冷卻液流量。對于風冷系統，要定期清理散熱片上的灰塵，保證風扇的正常運轉，提高散熱效率。此外，還可以在冷卻系統中安裝溫度傳感器，實時監測冷卻介質的溫度，并通過控制系統自動調節冷卻系統的工作參數，確保激光器在適宜的溫度范圍內工作。

（3）采用穩定電源供應

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

（4）實時監測與自動調節

在科研和工業應用中，利用先進的傳感器技術和自動化控制系統，實時監測激光器的關鍵參數，如功率、波長、光束質量、溫度等。通過在激光器的輸出端安裝功率傳感器，實時監測輸出功率的變化；利用光譜分析儀監測波長的漂移情況；采用光束質量分析儀檢測光束的光斑形態、發散角等參數。一旦監測到參數出現異常，控制系統能夠迅速做出反應，自動調節相關工作參數，如調整泵浦源的電流、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定。例如，當監測到功率下降時，控制系統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，通過調節諧振腔的溫度或長度，使波長恢復到正常范圍。

大研智造在激光錫焊領域深耕多年，旗下的激光錫球焊標準機（單工位）配備了先進的激光系統，針對激光器可能出現的各種問題，從設備設計源頭就采取了多重保障措施。其光學元件選用高品質材料，具備良好的抗污染和抗劃傷性能；冷卻系統經過精心優化，散熱效率高且穩定性強；電源供應系統穩定可靠，有效降低了電流或電壓尖峰的風險。同時，設備集成了智能化的監測與控制系統，能夠實時監控激光器的運行狀態，及時發現并解決潛在問題，確保激光錫焊過程的高效、穩定進行，為電子制造等行業的精密焊接需求提供了堅實可靠的技術支持。

審核編輯 黃宇