在過去的四十多年中，激光技術已經(jīng)在廣泛的應用領域譜寫了無數(shù)的成功故事，甚至現(xiàn)在有很多應用是離開激光所無法實現(xiàn)的。本文將分為兩篇，從激光光源的工業(yè)突破到不斷完善的應用技術，向您介紹Rofin在宏觀材料加工領域的激光技術發(fā)展情況。
萬事開頭
激光材料加工始于上個世紀六十年代后半期，脈沖固態(tài)激光器首先開始用于鉆孔和點焊應用，連續(xù)波CO2激光器用于切割和連續(xù)波焊接。
激光材料加工始于上個世紀六十年代后半期，脈沖固態(tài)激光器首先開始用于鉆孔和點焊應用，連續(xù)波CO2激光器用于切割和連續(xù)波焊接。
宏觀激光應用（切割、焊接、硬化和熔覆等）于上個世紀七十年代末和八十年代初被引入到工業(yè)生產(chǎn)實踐中。CO2激光器是當時頗受歡迎的光源，因為它們在當時具有最高的加工效率，并能達到工業(yè)生產(chǎn)所需要的功率要求。
并非所有的技術和元件在早期都是可用的。激光器、用于光束傳輸?shù)墓鈱W元件、聚焦元件如透鏡和離軸拋物面銅鏡、氣體噴嘴、加工工藝以及氣體供給系統(tǒng)，都必須針對高功率和工業(yè)環(huán)境進行開發(fā)和優(yōu)化。此外，所有的安全法規(guī)都有待開發(fā)，并在國際上標準化，同時用于光束質量定義和測量的標準也有待發(fā)展。
激光光源的工業(yè)突破
1 CO2激光器
圖1：1973年的橫流CO2激光器（左圖）和2014年的CO2板條激光器（右圖）。
隨著工業(yè)領域對激光加工的興趣越來越濃，工業(yè)領域對可靠的激光加工系統(tǒng)的需求開始增長。對于CO2激光源和系統(tǒng)而言，銅光學元件和低損耗ZnSe 透射元件具備反射或抗反射薄膜涂層，對于諧振器元件、光束傳輸和聚焦而言具有重要價值。這時出現(xiàn)的一項主要進展是用于焊接應用的高度可靠耐用的、具有鉬涂層的聚焦鏡。為了保證始終如一的切割質量，帶有自動噴嘴遠程控制和優(yōu)化的氣流的切割頭也被開發(fā)了出來。
當時CO2激光器市場中存在三個不同的競爭技術，這三種技術主要通過氣體冷卻的類型加以區(qū)分：慢流的高光束質量中功率（約150 W）激光器、橫流和快軸流激光器，功率高達20kW。一個附加的區(qū)分技術是氣體放電激勵的類型。該氣體既可以被直流（DC）放電激勵，這種方法比較高效；亦或是通過RF放電激勵，這種方法的優(yōu)勢是電極可以位于氣體管外，有助于保持氣體清潔。
以下幾個因素決定了CO2激光源的擁有成本：
● 氣體消耗
● 電力消耗，特別是待機時的消耗
● 光學元件的消耗（主要是光束輸出耦合元件）
● 其他備件的消耗
雖然上述幾個決定CO2激光器擁有成本的要素都在不斷發(fā)展完善，但是一項新理論的出現(xiàn)明顯地降低了CO2激光器的總體擁有成本，并且沒有任何不足，它就是擴散冷卻射頻激勵CO2板條激光器。
有了這種新的擴散冷卻技術，CO2板條激光器不需要任何復雜的排氣系統(tǒng)設置，氣體消耗量基本可以忽略不計，實現(xiàn)了待機功耗最小化，并且不要求任何維護用的通風技術。此外，只由銅反射鏡制成的諧振器以及一個用于光束傳輸?shù)慕饎偸繉哟翱冢蛊錈o需再定期更換光學元件。
出色的基本橫向模式光束質量，允許在切割應用中使用更小的切口寬度、在焊接應用中使用更窄的焊縫，換句話說，這意味著更低的功率或更高的加工速度。 Rofin公司于1993 年將第一款板條激光器引入市場，并于2005年將該技術的功率提高到了8 kW，其已經(jīng)能夠覆蓋工業(yè)激光應用的主要范圍。對于很多加工而言，10 μm 的長波長更具優(yōu)勢，因此這些激光器依然是當今和未來的最佳選擇。
2 固體激光器
圖2：4 kW的二極管泵浦固體激光器（左圖）和4 kW的光纖激光器（右圖）。
另一種在工業(yè)材料加工領域獲得主導地位的激光器是輸出波長約為1 μm 的固體激光器。
使用固體激光器的一個主要優(yōu)勢是可以利用高度柔性的光纖傳輸光束，這種方法已經(jīng)在八十年代后半期進入市場。Rofin 連同其子公司Optoskand 一起，為脈沖固體激光器開發(fā)出了傳輸光纖，輸出功率可達500 W。那時光纖的纖芯直徑為800~1000 μm，光束質量80 mm•mrad。
在上個世紀九十年代中期，在光纖端面使用石英，使得光纖技術迎來了發(fā)展歷程中的重要一步。更大的表面實現(xiàn)了更低的功率密度，不但改善了機械安裝，而且降低了防反射（AR）涂層造成的損耗。
在汽車車身焊接應用中，芯徑600 μm 的光纖曾代表了最先進的水平。由于光束質量獲得了顯著改善，二極管泵浦的固體激光器要求將纖芯直徑減小到300~400 μm。今天，芯徑為50 μm~1 mm 的損耗低、高可靠的Optoskand 光纖，已經(jīng)獲得了廣泛應用。
眾所周知的固體激光器的一種最古老的設計是在采用Nd:YAG 晶體棒做增益介質。直到上個世紀九十年代末，這種晶體都是用閃光燈泵浦。這類激光器只有3％的電光轉換效率，閃光燈的壽命大約為1000~2000 小時。所有的激光專家都希望用激光二極管取代閃光燈。激光二極管具有以下兩大技術優(yōu)勢：更高的效率和更低的熱負荷，能獲得更好的總體效率和改善的光束質量。
Rofin 公司于1997 年收購了半導體激光器公司DILAS，并且僅在一年之后就推出了第一款幾千瓦級的二極管泵浦固體激光器。這些激光器能夠達到大約10%的更高效率、12 mm•mrad 的光束質量和更長的激勵模塊使用壽命。下一步技術發(fā)展則是將增益介質的形狀從棒狀改變到碟片狀，以提供高于20% 的整體效率和大約5mm•mrad 的更好的光束質量。
除了泵浦模塊的使用壽命外，固體激光器領域的一個重要的問題是如何有效地帶走激光增益介質中的熱量。如果是典型的增益介質為棒狀的固體激光器，則光束質量受徑向熱梯度的影響顯著，即所謂的“熱透鏡效應”。使用碟片狀增益介質，能夠減少熱透鏡效應，因為其能夠在碟片的背面實施高效的大面積散熱，從而能產(chǎn)生連續(xù)一致的高光束質量。在2003-2010 年間，Rofin 曾提供用于工業(yè)切割和焊接應用的高功率碟片激光器。
3 光纖激光器
圖3：高達8 kW的光纖激光器
進入2000 年之后，通過光纖提供單模光束質量輸出的高功率光纖激光器的發(fā)展，可以說是固體激光器技術領域最重要的一項發(fā)展。
大模場面積、稀土摻雜的大包層直徑雙包層光纖、集成泵浦耦合器的光纖以及高功率激光二極管泵浦源的發(fā)展，無疑對光纖激光器的發(fā)展起到了推波助瀾的作用。這種技術能將高功率光纖激光器模塊設計實現(xiàn)為“集成的光纖設計”，這使得模塊更加簡單、牢固、高效，非常適合用于“在工業(yè)生產(chǎn)中使用的激光器中”。將這些模塊通過全光纖組合器組合到一起，能獲得更高的功率，并且能夠提供具有高光束質量的多模輸出。
Rofin 于2007 年通過一系列戰(zhàn)略收購推出了光纖激光器，如其收購了Corelase、Nufern、m2k Laser 和PMB 等專業(yè)公司。激光二極管、活性雙包層大模場面積光纖、光纖泵浦耦合器、高功率光纖組合器和光束傳輸以及電源等組件的開發(fā)和生產(chǎn)，都是由Rofin 集團旗下的這些專業(yè)公司完成的。
隨后，Rofin 提供了與眾不同的單模和多模光纖激光器產(chǎn)品，功率高達8kW，并具備以下特性：
● 比碟片激光器更簡單的模塊化設計
● 堅固耐用，無需機械穩(wěn)定性
●光束質量適用于不同的應用，從單模（0.4 mm•mrad）到多模（40 mm•mrad）
● 高效：光學轉換效率超過80％，電光轉換效率超過30％。
這些光纖激光器可以作為工業(yè)生產(chǎn)領域的通用加工工具，它們比之前的所有其他激光器顯示出了更廣泛的適用性，因為其具有廣泛功率和光束質量，以及靈活的光束切換、分束和掃描的可能性。此外，它們的效率、波長和最小維護要求，能夠在大量行業(yè)中實現(xiàn)高度經(jīng)濟化的加工過程。
總而言之，工業(yè)激光器獲得成功的一個重要因素是：從一個科學實驗室裝置發(fā)展成為一個在維護和服務要求方面獲得工業(yè)領域認可的產(chǎn)品。第一臺工業(yè)激光器的維護周期約為1000 小時，維護工作約需要一周的時間。客戶已經(jīng)完全接受了這種情況，因為他們只關心這個有前途的新工藝——能夠實現(xiàn)改進的新產(chǎn)品，降低生產(chǎn)時間，實現(xiàn)更高的加工質量。
在隨后的幾年中，"總擁有成本"和可維護性等問題變得越來越重要。在CO2 激光器領域中，從橫流激光器到快軸流激光器的發(fā)展，使維護周期從1000小時升至2000 小時，從而降低了維護工作。隨著擴散冷卻板條CO2激光器的發(fā)展，Rofin 能夠提供“具有非常低的服務和維護費用、維護周期為3000 小時、維護工作僅需6 小時便可完成的”激光器產(chǎn)品。
在固體激光器領域，從燈泵產(chǎn)品到二極管泵浦的激光器，在服務和維護費用方面存在很大差別，而最新的光纖激光器技術又幾乎是免維護的。
另一個重要的問題是激光源在生產(chǎn)工廠中的可用性。在CO2 激光器領域，從橫流激光器到板條CO2 激光器及現(xiàn)代光纖激光器，可用性顯著增加。如今，激光已經(jīng)被視為一種加工工具，所有要求和工業(yè)標準都如同可擴展的備件，以24/7 的模式和電子服務能力服務全球市場。此外，在所有的戰(zhàn)略市場提供快速的本地化支持，也是獲得業(yè)務成功的關鍵。
圖4：七十年代初期的Messer切割系統(tǒng)：激光源傾斜45°。這使得用戶通過使用一個相移延遲90°的光束彎曲裝置，在工件上獲得圓偏振光（左圖）。2014年的Messer切割系統(tǒng)：配備4.5 kW CO2板條激光器的大型系統(tǒng)。所有Rofin的CO2激光器發(fā)射與水平面成45°的偏振光束（右圖）。
延伸閱讀，點擊：《激光材料加工的過去、現(xiàn)在和未來(二)》
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