從國外光纖雷射器企業角度剖析千瓦級光纖雷射器技術

2020-11-23 OFweek維科網

　　Bell指出，收集在隔離器中的背反射光，用光電二極體監測。該傳感器的實時輸出提供給用戶，用於在過程監控、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雷射器的其他特質包括改進的切割和焊接性能，這些雷射器可以提供高達100kHz的調製率，以及低於5μs的上升和下降時間。這些功能允許更快的穿孔，精細特徵更快的處理速度，並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雷射器系統採用對基於多個低功率光纖雷射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雷射器架構，通過將泵浦二極體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。」

　　這些雷射器具有可調整的光束質量（BPP≥1.1mm-mrad），已經應用於低碳鋼、硼鋼、不鏽鋼、鋁、黃銅和銅的高質量切割和焊接，並且也已經在新興的應用，包括增材製造、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，第一代光纖雷射器直接基於電信平臺大規模擴展到更高功率，它們採用大量的單獨泵浦雷射二極體，每個都採用獨立光纖耦合，並永久熔接在一起。

　　「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，早期的產品對來自於金屬加工的背反射非常敏感。如果光纖熔接、泵浦二極體、傳輸光纖，或任何其它雷射器組件由於這種背反射損壞，必須將雷射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。

　　相干公司製造了基於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複雜性，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光纖雷射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雷射二極體巴條，而不是多個獨立的雷射二極體，」 Gaebler說，「然後它們的輸出採用自由空間耦合進入增益光纖；這種耦合模塊也可用於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，購買完整的雷射器或單獨的模塊，並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光纖雷射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，並有望在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，「對於某些型號，最近已可以提供50μm纖芯的傳輸光纖，BPP可以降低高達兩倍。由於具有高功率和低BPP，這些HighLight FL雷射器非常適合用於處理厚度從薄箔到幾毫米的金屬。」

　　Gaebler指出，早期的光纖雷射器有時受困於切割、鑽孔和焊接某些金屬。例如，光纖雷射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，銅鏡廣泛用於各類近紅外雷射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雷射器加工的顯著挑戰。

　　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雷射器切割1.25mm厚的黃銅（a）和1.2mm的銅（b）。

　　根據Gaebler的描述，不同於第一代光纖雷射器，Highlight FL雷射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體巴條；2）不存在光纖熔接，從而不會被任何背向反射損傷。其結果是該雷射器不受「對反射性金屬需格外小心加工」這一因素的限制（見圖6）。

相關焦點

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  • 一文讀懂光纖雷射器的前世今生
    光纖雷射器能夠在如此廣泛領域被接受，主要得益於其在許多方面擁有的優勢，比如結構緊湊、光電轉換效率高、可靠性強，光束質量好等等。隨著相關需求的不斷增長，光纖雷射器在高功率市場中競爭優勢日益凸顯。　　國內外廠家共同博弈國內市場　　雷射技術起源於20世紀60年代，是20 世紀裡與原子能、半導體、計算機齊名的新四大發明之一。
  • 光纖雷射器對光束分析提出了特殊挑戰
    光纖雷射器正日益廣泛地應用於標記、加工、材料熔化中，或利用複雜的圖案和形狀來修飾材料。在這些應用中，雷射功率從幾瓦到幾千瓦不等，與其它同功率的雷射器相比，光纖雷射器的關鍵優勢在於其發射的光束比其他雷射器的光束更接近於高斯光束。
  • 光纖雷射器的原理及特性
    光纖雷射器利用摻雜稀土元素的光纖研製成的光纖放大器給光波技術領域帶來了革命性的變化。由於任何光放大器都可通過恰當的反饋機制形成雷射器，因此光纖雷射器可在光纖放大器的基礎上開發。目前開發研製的光纖雷射器主要採用摻稀土元素的光纖作為增益介質。由於光纖雷射器中光纖纖芯很細，在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功率密度，造成雷射工作物質的雷射能級「粒子數反轉」。因此，當適當加入正反饋迴路（構成諧振腔）便可形成雷射振蕩。
  • 國外半導體雷射器企業推薦
    雷射設備的核心就是雷射器，我國各大雷射設備企業不斷地加大技術開發投入，雖然已經取得了一定的成就，各種雷射設備實現國產化，達到國際領先水平，但是在主力雷射器，超大功率雷射器依然依賴進口，以致雷射設備價格大幅度上漲，制約了我國雷射加工產業的發展，另一方面，國外不少的雷射加工企業看準中國雷射加工的廣大市場前景，紛紛入駐我國的沿海城市，衝擊我國雷射加工產業，國際競爭國內化。