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千瓦级单模光纤激光器将引领激光加工新时代

来源:荣格

  发布:星之球科技

关键词:光纤激光器,激光加工,激光技术

2018-11-07

 1960年,美国人梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器。这种高亮度、单色性好、方向性好的人造光很快便应用于军事和工业各领域。随着高亮度泵浦源和双包层光纤技术的进步,高功率光纤激光器已经逐渐成熟,并逐渐取代传统的工业加工用激光器,如CO2激光器、碟片激光器、板条激光器、半导体激光器等。
 
 
 
 
表1给出了高功率光纤激光器在效率、寿命、维护需求等方面与传统工业加工用激光器的对比。可以看出,全光纤结构高功率光纤激光器具有插头效率高(>30%)、使用寿命长(>10万小时)、维护率低以及柔性输出等优势。
 
 
 
图1:各类型激光器的亮度以及加工应用对光源特性的需求[1]
 
此外,光纤激光器的亮度也高于传统工业加工用激光器。图2画出了传统工业加工激光器的亮度以及工业加工应用对光源特性的需求。可以看出,高功率光纤激光器,尤其是高功率单模光纤激光器,其亮度可以满足所有工业加工应用需求。
 
单模光纤激光器,是指输出激光为单一横模式(基模)的光纤激光器,单模激光器的最明显特征是光束质量评价因子M2<1.2。需要指出的是,许多厂家标称的“单模”激光器实际为“单模块”激光器,即在拓扑结构上为一对光纤光栅组成的谐振腔型激光器,单模块激光器不一定是单模式激光器。千瓦级单模式光纤激光器的技术难度要远大于同等功率的单模块光纤激光器。湖南大科激光有限公司(以下简称“大科激光”)通过对高功率光纤激光器的物理瓶颈问题深入研究,设计了具有自主知识产权的工业用千瓦级单模光纤激光器,性能指标达到国外同功率单模光纤激光器的水平,如表2所示。
 
 
 
表2:大科千瓦级单模光纤激光器参数对比
 
基模激光的特点是具有近衍射极限激光的传输特性,可以被汇聚至极小的光斑,从而实现超高的功率密度,这使得高功率单模光纤激光器在金属材料切割领域具有独特的优势。
 
◆ 高速切割
 
单模激光可被汇聚至微米量级光斑,实现极高的功率密度,相比于传统的多模高功率激光器,可以大幅度提升切割速度。表3对比了DK YSM 2000与典型多模3000W激光器的切割速度,可以看出高功率单模激光器的切割速度可以达到甚至超过3 kW多模激光器的切割速度。
 
 
表3:DK YSM 2000 常规材料切割速度
 
◆ 高反射率材料切割
 
高反射率金属材料(铝、黄铜、紫铜)在加工时会产生很强的回返光,这些回返光会给光纤激光器带来致命风险,堪称激光器“杀手”。针对这一问题,大科激光团队设计了用于高反射率材料切割的千瓦级单模光纤激光器“DK YSM系列”,可以实现对铝、黄铜甚至紫铜材料的高速切割。
 
 
表4:DK YSM 2000 高反射率金属材料切割速度
 
◆ 亮面切割
 
亮面切割工艺要求激光的光斑具有极高的稳定性。DK-YSM 2000的输出激光仅包含一个模式(基模),在切割头高速运动时,焦点光斑仍能够保持稳定的近高斯分布,可以实现厚板、高反射率金属等材料的亮面切割,如图3所示。
 
 
图3:DK YSM 2000 光纤激光器切割端面效果图