千瓦級(jí)光纖激光器技術(shù)已趨于成熟

　　Rath表示，這些高功率光纖激光器是宏觀應(yīng)用分支中金屬激光切割和焊接的標(biāo)準(zhǔn)工具(見圖3)。標(biāo)準(zhǔn)的切割系統(tǒng)通常配備緊湊的光纖激光器，根據(jù)切割系統(tǒng)的功率和板材厚度，配備芯徑為50μm或100μm的直接加工光纖。“汽車部件焊接在幾個(gè)工作站內(nèi)頻繁實(shí)現(xiàn)，幾個(gè)工作站通過不同的、可長(zhǎng)達(dá)100m的光纜與激光器相連接。” Rath解釋道，“這樣的設(shè)置有助于減少周期時(shí)間，優(yōu)化激光的利用。例如，當(dāng)激光器在B工作站處焊接第二個(gè)工件時(shí)，A工作站內(nèi)可以裝配并夾持零件。”

　　由于通過選擇光纖尺寸可以使光纖激光器與應(yīng)用相匹配，因此相同的激光器可以用于不同的操作。例如，制造一種汽車零件采用三種不同的激光加工方法在三個(gè)工作單元內(nèi)順序執(zhí)行：去除涂層(采用高光束質(zhì)量和集成掃描頭加工實(shí)現(xiàn))、切割孔徑以獲得完美匹配，以及焊接工序。

　　背反射隔離

　　在高度反射的材料上進(jìn)行操作的千瓦級(jí)工業(yè)光纖激光器，面臨背反射的問題。從工件上激光光學(xué)元件聚焦區(qū)域反射的光，通過激光系統(tǒng)后向傳輸。“由于工件表面的不規(guī)整性，缺乏與表面法線的精確對(duì)準(zhǔn)，以及加工元件有限的收集角，典型的背反射僅為激光功率的一小部分;此外，在許多情況下，背反射的持續(xù)時(shí)間短(例如穿孔)。”美國(guó)nLIGHT公司總經(jīng)理Jake Bell說，“然而，一些光纖激光器的設(shè)計(jì)使得加工反射材料變得困難或者不可能。”

　　nLIGHT公司生產(chǎn)一系列材料加工光纖激光器，輸出功率范圍500W~4kW。在其他特性中，nLIGHT公司的alta系列具有獨(dú)特的配置,以最小化背反射。“背反射所造成的損傷通常是由于光學(xué)功率沉積到聚合物材料中，由于過熱而燒壞的結(jié)果。”Bell說，“nLIGHT公司的alta將耦合進(jìn)傳輸光纖中的背反射光剝離，并將其引導(dǎo)到水冷光束收集器，在該處激光被轉(zhuǎn)換成熱而不與聚合物有任何相互作用，從而消除了主要損傷機(jī)理。該無聚合物隔離器設(shè)計(jì)成可持續(xù)收集超過500W的光(見圖4)。”

　　圖4：nLIGHT alta設(shè)計(jì)成在激光器和傳輸光纖之間具有背反射隔離器(a)。直接背反射進(jìn)光纖大于500W的連續(xù)激光穩(wěn)定性數(shù)千小時(shí)的壓力測(cè)試，顯示沒有不穩(wěn)定運(yùn)行的指征(b)。

　　Bell表示：“我們?cè)u(píng)估了穿孔時(shí)隔離系統(tǒng)的性能，在這種激光切割下產(chǎn)生最高的背反射信號(hào)。該測(cè)試成功處理了銅的連續(xù)4000次穿孔，沒有中斷或故障的穿孔。與由我們的背反射隔離器提供的可靠的、基于硬件的保護(hù)相反，一些其他的光纖激光器利用軟件保護(hù)在背反射的情況下禁止激光;這種方法可能保護(hù)激光器，但它妨礙成功和連續(xù)的材料處理。”

　　Bell指出，收集在隔離器中的背反射光，用光電二極管監(jiān)測(cè)。該傳感器的實(shí)時(shí)輸出提供給用戶，用于在過程監(jiān)控、優(yōu)化和控制(例如穿孔檢測(cè))中使用，或者是工具校準(zhǔn)(如光束位置和焦點(diǎn))。

　　Bell概括的nLIGHT alta激光器的其他特質(zhì)包括改進(jìn)的切割和焊接性能，這些激光器可以提供高達(dá)100kHz的調(diào)制率，以及低于5μs的上升和下降時(shí)間。這些功能允許更快的穿孔，精細(xì)特征更快的處理速度，并通過最小的熱影響區(qū)實(shí)現(xiàn)更好的加工質(zhì)量。

　　“大多數(shù)數(shù)千瓦級(jí)光纖激光器系統(tǒng)采用對(duì)基于多個(gè)低功率光纖激光器的輸出合束的架構(gòu)，導(dǎo)致成本、性能、可維護(hù)性、可升級(jí)性以及對(duì)技術(shù)進(jìn)步的順應(yīng)性方面的顯著缺點(diǎn)。”Bell補(bǔ)充道，“我們介紹一種新穎的千瓦光纖激光器架構(gòu)，通過將泵浦二極管和驅(qū)動(dòng)器安放在單獨(dú)的泵浦模塊中，以及將增益光纖安放在可配置的增益模塊中，解決了這些問題，可以產(chǎn)生超過4kW的輸出功率。”

　　這些激光器具有可調(diào)整的光束質(zhì)量(BPP≥1.1mm-mrad)，已經(jīng)應(yīng)用于低碳鋼、硼鋼、不銹鋼、鋁、黃銅和銅的高質(zhì)量切割和焊接，并且也已經(jīng)在新興的應(yīng)用，包括增材制造、表面紋理化和雕刻中得以使用。

　　快速組件更換或升級(jí)

　　根據(jù)美國(guó)相干公司材料加工市場(chǎng)總監(jiān)Frank Gaebler的描述，第一代光纖激光器直接基于電信平臺(tái)大規(guī)模擴(kuò)展到更高功率，它們采用大量的單獨(dú)泵浦激光二極管，每個(gè)都采用獨(dú)立光纖耦合，并永久熔接在一起。

　　“這種獲得更高功率的方法有幾個(gè)限制。”他說，“特別是所有部件被永久熔接在一起。如果一個(gè)組件出現(xiàn)故障或退化，就沒有辦法進(jìn)行更換。例如，早期的產(chǎn)品對(duì)來自于金屬加工的背反射非常敏感。如果光纖熔接、泵浦二極管、傳輸光纖，或任何其它激光器組件由于這種背反射損壞，必須將激光器拿到工廠修理或更換，這將影響正常運(yùn)行時(shí)間和生產(chǎn)效率。

　　相干公司制造了基于靈活的模塊化架構(gòu)的第二代千瓦級(jí)光纖平臺(tái)(Highlight FL)(見圖5)。相干公司的工程師們使用實(shí)質(zhì)上不同的設(shè)計(jì)方法，消除了多個(gè)泵浦和熔接的復(fù)雜性，具備模塊化架構(gòu)，還允許簡(jiǎn)單替換和/或升級(jí)各種組件，包括傳輸光纖。

　　圖5：相干公司Highlight FL光纖激光器可以結(jié)合機(jī)器人使用，使白色家電(洗衣機(jī)、廚灶等)行業(yè)的高速3D零件切削成為可能。

　　“我們使用光纖耦合高功率激光二極管巴條，而不是多個(gè)獨(dú)立的激光二極管，” Gaebler說，“然后它們的輸出采用自由空間耦合進(jìn)入增益光纖;這種耦合模塊也可用于將增益光纖連接到可拆卸的傳輸光纖。”他補(bǔ)充說，這樣的做法對(duì)OEM系統(tǒng)集成商特別具有吸引力，因?yàn)樗麄兛梢愿鶕?jù)專業(yè)知識(shí)水平或者深度集成的要求，購(gòu)買完整的激光器或單獨(dú)的模塊，并且可以迅速改變或更換傳輸光纖以適應(yīng)不同的應(yīng)用。

　　在規(guī)格方面，目前相干公司的Highlight FL光纖激光器瞄準(zhǔn)大功率的穩(wěn)定增長(zhǎng)，Gaebler介紹說，最新型號(hào)可提供3kW的功率，并有望在2016年增加到4kW。“目前，我們的傳輸光纖模塊提供100μm纖芯，其對(duì)應(yīng)的BPP約為4mm·mrad。”他說，“對(duì)于某些型號(hào)，最近已可以提供50μm纖芯的傳輸光纖，BPP可以降低高達(dá)兩倍。由于具有高功率和低BPP，這些HighLight FL激光器非常適合用于處理厚度從薄箔到幾毫米的金屬。”

　　Gaebler指出，早期的光纖激光器有時(shí)受困于切割、鉆孔和焊接某些金屬。例如，光纖激光器的基頻輸出波長(zhǎng)通常在1μm附近。在該波長(zhǎng)區(qū)域，黃銅和銅表現(xiàn)出非常高的反射率，銅鏡廣泛用于各類近紅外激光器的光束傳輸就是證明。背向反射已經(jīng)使這些金屬成為第一代光纖激光器加工的顯著挑戰(zhàn)。

　　圖6：不受背向反射的影響，使得某些高反射金屬材料的切割成為可能。橫截面視圖顯示了用相干的Highlight FL激光器切割1.25mm厚的黃銅(a)和1.2mm的銅(b)。

　　根據(jù)Gaebler的描述，不同于第一代光纖激光器，Highlight FL激光器架構(gòu)不受背向反射損傷的影響有兩大原因：1)二向色光束合束器的幾何形狀和光學(xué)性質(zhì)，意味著任何背向反射不能到達(dá)泵浦二極管巴條;2)不存在光纖熔接，從而不會(huì)被任何背向反射損傷。其結(jié)果是該激光器不受“對(duì)反射性金屬需格外小心加工”這一因素的限制(見圖6)。