千瓦級光纖激光器技術已趨于成熟

　　Rath表示，這些高功率光纖激光器是宏觀應用分支中金屬激光切割和焊接的標準工具(見圖3)。標準的切割系統通常配備緊湊的光纖激光器，根據切割系統的功率和板材厚度，配備芯徑為50μm或100μm的直接加工光纖。“汽車部件焊接在幾個工作站內頻繁實現，幾個工作站通過不同的、可長達100m的光纜與激光器相連接。” Rath解釋道，“這樣的設置有助于減少周期時間，優化激光的利用。例如，當激光器在B工作站處焊接第二個工件時，A工作站內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工作單元內順序執行：去除涂層(采用高光束質量和集成掃描頭加工實現)、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行操作的千瓦級工業光纖激光器，面臨背反射的問題。從工件上激光光學元件聚焦區域反射的光，通過激光系統后向傳輸。“由于工件表面的不規整性，缺乏與表面法線的精確對準，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，背反射的持續時間短(例如穿孔)。”美國nLIGHT公司總經理Jake Bell說，“然而，一些光纖激光器的設計使得加工反射材料變得困難或者不可能。”

　　nLIGHT公司生產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功率沉積到聚合物材料中，由于過熱而燒壞的結果。”Bell說，“nLIGHT公司的alta將耦合進傳輸光纖中的背反射光剝離，并將其引導到水冷光束收集器，在該處激光被轉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理。該無聚合物隔離器設計成可持續收集超過500W的光(見圖4)。”

　　圖4：nLIGHT alta設計成在激光器和傳輸光纖之間具有背反射隔離器(a)。直接背反射進光纖大于500W的連續激光穩定性數千小時的壓力測試，顯示沒有不穩定運行的指征(b)。

　　Bell表示：“我們評估了穿孔時隔離系統的性能，在這種激光切割下產生最高的背反射信號。該測試成功處理了銅的連續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、基于硬件的保護相反，一些其他的光纖激光器利用軟件保護在背反射的情況下禁止激光;這種方法可能保護激光器，但它妨礙成功和連續的材料處理。”

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

　　Bell概括的nLIGHT alta激光器的其他特質包括改進的切割和焊接性能，這些激光器可以提供高達100kHz的調制率，以及低于5μs的上升和下降時間。這些功能允許更快的穿孔，精細特征更快的處理速度，并通過最小的熱影響區實現更好的加工質量。

　　“大多數數千瓦級光纖激光器系統采用對基于多個低功率光纖激光器的輸出合束的架構，導致成本、性能、可維護性、可升級性以及對技術進步的順應性方面的顯著缺點。”Bell補充道，“我們介紹一種新穎的千瓦光纖激光器架構，通過將泵浦二極管和驅動器安放在單獨的泵浦模塊中，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，可以產生超過4kW的輸出功率。”

　　這些激光器具有可調整的光束質量(BPP≥1.1mm-mrad)，已經應用于低碳鋼、硼鋼、不銹鋼、鋁、黃銅和銅的高質量切割和焊接，并且也已經在新興的應用，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

　　根據美國相干公司材料加工市場總監Frank Gaebler的描述，第一代光纖激光器直接基于電信平臺大規模擴展到更高功率，它們采用大量的單獨泵浦激光二極管，每個都采用獨立光纖耦合，并永久熔接在一起。

　　“這種獲得更高功率的方法有幾個限制。”他說，“特別是所有部件被永久熔接在一起。如果一個組件出現故障或退化，就沒有辦法進行更換。例如，早期的產品對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，這將影響正常運行時間和生產效率。

　　相干公司制造了基于靈活的模塊化架構的第二代千瓦級光纖平臺(Highlight FL)(見圖5)。相干公司的工程師們使用實質上不同的設計方法，消除了多個泵浦和熔接的復雜性，具備模塊化架構，還允許簡單替換和/或升級各種組件，包括傳輸光纖。

　　圖5：相干公司Highlight FL光纖激光器可以結合機器人使用，使白色家電(洗衣機、廚灶等)行業的高速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，而不是多個獨立的激光二極管，” 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。”他補充說，這樣的做法對OEM系統集成商特別具有吸引力，因為他們可以根據專業知識水平或者深度集成的要求，購買完整的激光器或單獨的模塊，并且可以迅速改變或更換傳輸光纖以適應不同的應用。

　　在規格方面，目前相干公司的Highlight FL光纖激光器瞄準大功率的穩定增長，Gaebler介紹說，最新型號可提供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，其對應的BPP約為4mm·mrad。”他說，“對于某些型號，最近已可以提供50μm纖芯的傳輸光纖，BPP可以降低高達兩倍。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通常在1μm附近。在該波長區域，黃銅和銅表現出非常高的反射率，銅鏡廣泛用于各類近紅外激光器的光束傳輸就是證明。背向反射已經使這些金屬成為第一代光纖激光器加工的顯著挑戰。

　　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Gaebler的描述，不同于第一代光纖激光器，Highlight FL激光器架構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性質，意味著任何背向反射不能到達泵浦二極管巴條;2)不存在光纖熔接，從而不會被任何背向反射損傷。其結果是該激光器不受“對反射性金屬需格外小心加工”這一因素的限制(見圖6)。