千瓦級光纖激光器技術已趨于成熟

　　光纖激光器將主動(激光增益)光纖與一個或多個泵浦激光器(通常是激光二極管)結合在一起。光纖激光器有許多類型，包括低功率連續(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用，并且光纖激光器正研究用于軍事領域作為定向能武器。

　　光纖本質上是一種非常細的長棒，這種構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。光纖激光器的結構相對比較簡單，易于維護;而且這類激光器體積緊湊，并且由于采用激光二極管泵浦，堅固且壽命長。

　　大范圍的功率和波長

　　IPG Photonics公司市場開發經理Alexei Markevitch概述了千瓦級光纖激光器的波長和功率范圍。“IPG公司生產波長為1μm(摻鐿光纖)和1.5μm(摻鉺光纖)的標準千瓦級CW激光器，同時也生產波長為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現的波長在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用成為可能，并且被認為是人眼安全的，因為這些波長處的人眼損傷閾值比在1μm波長處高出很多數量級。”

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

　　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。這些單模系統用于那些需要極高功率和極高亮度的先進材料加工應用中，例如精細切割和表面結構化、高反射率金屬的切割、微焊接、燒結和雕刻，以及遠程加工和定向能應用。

　　“IPG公司的多模YLS摻鐿CW光纖激光器，提供1~100kW的功率范圍，甚至可以根據客戶要求定制高達數百千瓦的激光器。”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。隨著設計的不斷完善，標準工業YLS系統的電光轉換效率現在已經達到了超過40%，業界記錄的YLS- ECO系列的電光轉換效率超過50%。”

　　相同的多模YLS激光器用于高、低亮度的應用，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，用于大大改進場深，并將對光學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用領域占據主導地位，但是單模千瓦級CW激光器正在贏得越來越多的關注，因為它們可以使那些需要高CW峰值功率、極小光斑尺寸、和/或遠程加工能力的新應用成為可能。Markevitch所描述的YLS-SM激光器的一些應用，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程切削、銅(Cu)和鋁(Al)箔的遠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強調的千瓦級CW單模激光器應用的一項特定案例，是在汽車工業中的鑄鐵和鋁發動機的微結構加工。環境法規對更低能耗、以及減少污染和二氧化碳排放量的要求，需要更薄、更輕的發動機。一種具有減薄壁厚的馬達模塊的新型設計，輔以激光材料加工，使得每個氣缸可減少1公斤的重量。

　　為了獲得更高的機械阻力并優化熱傳導，氣缸周圍噴有較薄的等離子體涂層(見圖1)。在實施熔覆加工之前，氣缸表面加工有微結構槽，微結構的典型特征尺寸為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動機加工的孔的圓筒形表面，然后采用等離子噴涂產生硬涂覆，取代傳統的氣缸套。激光加工微槽有助于涂覆粘附到氣缸上。

　　以往這種表面結構化都采用機械或水射流加工。這些傳統技術有種種弊端。例如，機械加工效率較低，只能垂直于表面進行，且處理不同零件和槽尺寸時需要更換工具。水射流具有非常高的功耗(每個噴嘴120kW)，以及較大的耗水量(水受鋁污染)，在鋁中產生海綿效應，需要在真空腔內干燥，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，易于適應處理不同直徑且具有不同深度(深達30μm)的槽的零件，最大功耗為5.5kW。”Markevitch解釋道，“還可以實現不同的凹槽角度。槽的質量和生產率相比傳統技術均大大改善。”

　　模塊化設計

　　美國Lumentum公司激光器產品與技術高級主管Erik Zucker，描述了該公司的Corelight千瓦級CW光纖激光器產品線的模塊化特點和內部運作。“我們的基本構建模塊是一個輸出功率超過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、釬焊和熔覆應用。”

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

　　圖2：6kW的Lumentum光纖激光器包含三個2kW的模塊和一個光纖合束器模塊(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)。

　　“每個泵浦源從106μm芯徑的光纖中產生140W的輸出功率，電光轉換效率高于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的功率是從單個模塊產生的，光束參數乘積(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用的工件表面，反過來又產生了非常高的強度，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行動態電調節。對于自動切割工作，Zucker介紹說，ENSIS可以無需操作員干預，從薄到厚金屬切削進行調整，提高加工車間的生產率。

　　將光輻照到工件

　　德國羅芬公司生產輸出功率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?；蚨嗄９馐|量;或者配備光纖至光纖耦合器或光纖至光纖開關，獲得多模光束質量，這種方案允許用戶插入多達四根光纖，用于串行或并行光束應用，羅芬公司的激光光源產品經理Wolfram Rath介紹說。

　　帶熔接光纖的型號更加緊湊，為單機柜;而帶光開關的型號具有獨立的附件，實現光束管理。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、基于掃描頭的應用。

　　Rath介紹說，FL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。“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送入包層。它們為被動冷卻，容忍獨立的單個故障，需要時可以在現場進行更換。諧振腔鏡通過刻寫光纖布拉格光柵(FBG)形成。”

　　單個光纖激光器模塊的激光輸出功率達到2.4kW，額定功率為2kW。通過全光纖功率合束器，可以組合多達四個光纖激光器單元，獲得8kW的總額定功率，這可以通過多達四根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行汽車零部件焊接。