千瓦級光纖激光器技術(shù)已趨于成熟

　　光纖激光器將主動(激光增益)光纖與一個(gè)或多個(gè)泵浦激光器(通常是激光二極管)結(jié)合在一起。光纖激光器有許多類型，包括低功率連續(xù)(CW)激光器、低能量和高能量脈沖激光器，這其中又包括超快光纖激光器。但是提起光纖激光器，也許很多人想到只是千瓦級連續(xù)光纖激光器，這類光纖激光器主要用于材料加工，包括切割、焊接、釬接、表面處理及其他諸多應(yīng)用，并且光纖激光器正研究用于軍事領(lǐng)域作為定向能武器。

　　光纖本質(zhì)上是一種非常細(xì)的長棒，這種構(gòu)造使其成為兩種具有特別高的表面積與體積比的激光器中的一種(另一種是碟片激光器——寬的、極短的棒)，這類激光器更容易保持冷卻。光纖激光器的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，易于維護(hù);而且這類激光器體積緊湊，并且由于采用激光二極管泵浦，堅(jiān)固且壽命長。

　　大范圍的功率和波長

　　IPG Photonics公司市場開發(fā)經(jīng)理Alexei Markevitch概述了千瓦級光纖激光器的波長和功率范圍。“IPG公司生產(chǎn)波長為1μm(摻鐿光纖)和1.5μm(摻鉺光纖)的標(biāo)準(zhǔn)千瓦級CW激光器，同時(shí)也生產(chǎn)波長為2μm(摻銩光纖)的定制千瓦級光纖激光器，以及通過拉曼頻移實(shí)現(xiàn)的波長在1.1~1.7μm之間的激光器。”他說道，“較長的波長使得非金屬材料加工和其他新應(yīng)用成為可能，并且被認(rèn)為是人眼安全的，因?yàn)檫@些波長處的人眼損傷閾值比在1μm波長處高出很多數(shù)量級。”

　　Markevitch指出千瓦級光纖激光系統(tǒng)工作在CW或高達(dá)5kHz的調(diào)制模式下，并具有從10%到全功率、且光束發(fā)散或光束輪廓無變化的動態(tài)范圍。

　　Markevitch介紹說，在1μm波段，IPG公司的單模YLS-SM摻鐿光纖激光器能提供1~10kW的功率范圍。這些單模系統(tǒng)用于那些需要極高功率和極高亮度的先進(jìn)材料加工應(yīng)用中，例如精細(xì)切割和表面結(jié)構(gòu)化、高反射率金屬的切割、微焊接、燒結(jié)和雕刻，以及遠(yuǎn)程加工和定向能應(yīng)用。

　　“IPG公司的多模YLS摻鐿CW光纖激光器，提供1~100kW的功率范圍，甚至可以根據(jù)客戶要求定制高達(dá)數(shù)百千瓦的激光器。”Markevitch表示，“它們具有許多用途，包括切割、鉆孔、釬接、焊接、退火、熱處理和熔覆。隨著設(shè)計(jì)的不斷完善，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)YLS系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了超過40%，業(yè)界記錄的YLS- ECO系列的電光轉(zhuǎn)換效率超過50%。”

　　相同的多模YLS激光器用于高、低亮度的應(yīng)用，例如焊接、鉆孔和精密切割——“這是一種前所未聞的能力。”Markevitch說道，“高亮度允許使用長焦加工透鏡，用于大大改進(jìn)場深，并將對光學(xué)元件的損傷降到最低。”

　　雖然高亮度多模激光器在材料加工應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但是單模千瓦級CW激光器正在贏得越來越多的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兛梢允鼓切┬枰逤W峰值功率、極小光斑尺寸、和/或遠(yuǎn)程加工能力的新應(yīng)用成為可能。Markevitch所描述的YLS-SM激光器的一些應(yīng)用，包括用于篩選和過濾的不銹金屬的高速切割、陽極和陰極電池箔的遠(yuǎn)程切削、銅(Cu)和鋁(Al)箔的遠(yuǎn)程和氣體輔助高速切削，以及最小畸變薄金屬的大高寬比窄焊接。

　　Markevitch強(qiáng)調(diào)的千瓦級CW單模激光器應(yīng)用的一項(xiàng)特定案例，是在汽車工業(yè)中的鑄鐵和鋁發(fā)動機(jī)的微結(jié)構(gòu)加工。環(huán)境法規(guī)對更低能耗、以及減少污染和二氧化碳排放量的要求，需要更薄、更輕的發(fā)動機(jī)。一種具有減薄壁厚的馬達(dá)模塊的新型設(shè)計(jì)，輔以激光材料加工，使得每個(gè)氣缸可減少1公斤的重量。

　　為了獲得更高的機(jī)械阻力并優(yōu)化熱傳導(dǎo)，氣缸周圍噴有較薄的等離子體涂層(見圖1)。在實(shí)施熔覆加工之前，氣缸表面加工有微結(jié)構(gòu)槽，微結(jié)構(gòu)的典型特征尺寸為100μm或者更小。

　　圖1：采用IPG公司的2kW單模光纖激光器為汽車發(fā)動機(jī)加工的孔的圓筒形表面，然后采用等離子噴涂產(chǎn)生硬涂覆，取代傳統(tǒng)的氣缸套。激光加工微槽有助于涂覆粘附到氣缸上。

　　以往這種表面結(jié)構(gòu)化都采用機(jī)械或水射流加工。這些傳統(tǒng)技術(shù)有種種弊端。例如，機(jī)械加工效率較低，只能垂直于表面進(jìn)行，且處理不同零件和槽尺寸時(shí)需要更換工具。水射流具有非常高的功耗(每個(gè)噴嘴120kW)，以及較大的耗水量(水受鋁污染)，在鋁中產(chǎn)生海綿效應(yīng)，需要在真空腔內(nèi)干燥，并且只能在鋁零件上完成。

　　“額定功率為2kW的單模YLS-2000-SM激光器，可以加工鐵(Fe)和鋁(Al)零件，易于適應(yīng)處理不同直徑且具有不同深度(深達(dá)30μm)的槽的零件，最大功耗為5.5kW。”Markevitch解釋道，“還可以實(shí)現(xiàn)不同的凹槽角度。槽的質(zhì)量和生產(chǎn)率相比傳統(tǒng)技術(shù)均大大改善。”

　　模塊化設(shè)計(jì)

　　美國Lumentum公司激光器產(chǎn)品與技術(shù)高級主管Erik Zucker，描述了該公司的Corelight千瓦級CW光纖激光器產(chǎn)品線的模塊化特點(diǎn)和內(nèi)部運(yùn)作。“我們的基本構(gòu)建模塊是一個(gè)輸出功率超過2kW的雙包層光纖、單振蕩器模塊，”他解釋說，“可以將幾個(gè)這種模塊組合在一起，通過單光束提供明顯更高的功率。我們的光纖激光器主要用于2D金屬板切割，包括低碳鋼、不銹鋼、鋁、銅和黃銅等多種材料。它們也可以用于金屬焊接、釬焊和熔覆應(yīng)用。”

　　2kW光纖激光器模塊由單光纖振蕩器構(gòu)成;該單光纖振蕩器構(gòu)成通過Lumentum公司的ST系列高亮度、光纖耦合激光二極管陣列進(jìn)行端面泵浦，Zucker表示該泵浦激光器也是由他們公司自己設(shè)計(jì)和制造的(見圖2)。

　　圖2：6kW的Lumentum光纖激光器包含三個(gè)2kW的模塊和一個(gè)光纖合束器模塊(a)。該光纖激光器由該公司的ST系列高亮度光纖耦合激光二極管泵浦(b)。

　　“每個(gè)泵浦源從106μm芯徑的光纖中產(chǎn)生140W的輸出功率，電光轉(zhuǎn)換效率高于50%。”他解釋說，“多根泵浦光纖與單根光纖熔接在一起，再熔接到振蕩器的一端。光纖布拉格光柵確定了腔和輸出耦合器。由于2kW的功率是從單個(gè)模塊產(chǎn)生的，光束參數(shù)乘積(BPP)很小，通常為0.8mm-mrad。這允許將大景深的小光斑直徑聚焦到金屬切削應(yīng)用的工件表面，反過來又產(chǎn)生了非常高的強(qiáng)度，形成極其有效的切割。”

　　Zucker指出，采用Lumentum公司光纖激光器的2kW輸出，可對25mm厚的低碳鋼進(jìn)行切割，而4kW的CO2激光器只能切割厚度最大為22mm的鋼材。小的BPP帶來快速切割：例如，4kW的功率能夠以75m/min的速率切割1mm厚的鋁;而6kW的功率能以94m/min的速率切割1mm厚的鋁。

　　日本Amada公司是Lumentum公司的一家研發(fā)伙伴和客戶，該公司將2kW激光器整合到其切割工具中。2kW激光器的小BPP，使部件能具備一種被稱作ENSIS的性能，允許對工件上的光斑尺寸進(jìn)行動態(tài)電調(diào)節(jié)。對于自動切割工作，Zucker介紹說，ENSIS可以無需操作員干預(yù)，從薄到厚金屬切削進(jìn)行調(diào)整，提高加工車間的生產(chǎn)率。

　　將光輻照到工件

　　德國羅芬公司生產(chǎn)輸出功率500~8000W之間的CW高功率光纖激光器(FL系列)，提供多種方案將激光器輸出光輻照到工件上。該公司的激光器可以配備直接熔接光纖獲得單模或多模光束質(zhì)量;或者配備光纖至光纖耦合器或光纖至光纖開關(guān)，獲得多模光束質(zhì)量，這種方案允許用戶插入多達(dá)四根光纖，用于串行或并行光束應(yīng)用，羅芬公司的激光光源產(chǎn)品經(jīng)理Wolfram Rath介紹說。

　　帶熔接光纖的型號更加緊湊，為單機(jī)柜;而帶光開關(guān)的型號具有獨(dú)立的附件，實(shí)現(xiàn)光束管理。該激光器用于切割、焊接和表面處理，以及各種由集成掃描頭加工支持的、基于掃描頭的應(yīng)用。

　　Rath介紹說，F(xiàn)L系列光纖激光器使用大模場面積雙包層光纖作為增益介質(zhì)。“包括主動單模纖芯和大直徑包層，光束在其中傳播，”他指出，“長壽命泵浦模塊出射的泵浦光，通過泵浦耦合器從兩側(cè)送入包層。它們?yōu)楸粍永鋮s，容忍獨(dú)立的單個(gè)故障，需要時(shí)可以在現(xiàn)場進(jìn)行更換。諧振腔鏡通過刻寫光纖布拉格光柵(FBG)形成。”

　　單個(gè)光纖激光器模塊的激光輸出功率達(dá)到2.4kW，額定功率為2kW。通過全光纖功率合束器，可以組合多達(dá)四個(gè)光纖激光器單元，獲得8kW的總額定功率，這可以通過多達(dá)四根100μm芯徑的加工光纖傳輸至加工單元。

　　圖3：羅芬公司基于掃描頭的光纖激光器正在進(jìn)行汽車零部件焊接。