自激光誕生以來,產業界就對其優異的性能報以極大的興趣,并捷足先登獲得了應用。預計產業界2011使用的激光器產品銷售額超過17億美元,而激光設備的銷售額超過66億美元。其中,金屬加工行業占居絕大部分。
在金屬加工行業,激光的應用已有數十年的歷史。長期以來,金屬切割領域,1000W以上的CO2激光器占主導地位。近年,以鴻鐳激光為代表的國內激光設備商推出的中功率(500W)燈棒式YAG金屬激光切割機獲得了市場的廣泛的認可,占領了國內低端金屬切割機市場。
但是,無論是CO2還是燈棒式YAG激光,激光的產生原理決定了其性能受到一定的局限。大功率CO2激光器體積龐大,但激光發散角較小,可以采用飛行光路實現切割的工藝要求,但光斑粗大,能量密度低是其很大的弱點。燈棒式YAG激光的光斑能量密度可以做到遠小于CO2激光器,但光束發散角很大。
具有高效、高能量密度及柔軟傳輸性的激光,是金屬切割行業夢寐以求的產品。
激光器問世不久,美國光學公司(American optical corporation)的Snitzer 和Koester于1963年首先提出光纖激光器和放大器的構思。1966年高錕和Hockham提出了光纖通信的基本概念。1970年后光纖通信經歷研究開發階段(1966-1976),實用化階段(1977-1986)迅速進入1986年以后的大規模光纖通信建設階段。隨著光通信的迅猛發展,光纖制造工藝與半導體激光器生產技術日趨成熟,為光纖激光器和放大器的發展奠定基礎。英國的南安普敦大學和通訊研究實驗室、德國漢堡技術大學、美國的Polaroid Corporation,Bell實驗室,日本的NTT、Hoya均在光纖激光器研究中取得許多重要成果。
近年來,大功率光纖激光器不斷問市,性能穩定,已經具有了很高的實用價值,并且最大功率達1萬瓦;單模輸出功率高達1000W,光束質量非常好,M2小于1.1。
光纖激光器的基本結構與固體激光器的結構基本相同。它具有如下主要特點。
(1)光纖作為導波介質,纖芯直徑小,纖內易形成高功率密度,可方便地與目前的光纖通信系統高效連接,構成的激光器具有高轉換效率、低閾值、高增益、輸出光束質量好和線寬窄等特點;
(2)由于光纖具有極好的柔繞性,激光器可設計得相當小巧靈活、結構緊湊、體積小、易于系統集成、性能價格比高;
(3)由于光纖具有很高的“表面積/體積”比,散熱效果非常好,所以光纖激光器可以工作在-20~70℃的環境溫度內,不需要龐大的水冷系統,只需簡單的風冷即可,且可在惡劣的環境下工作,如在高沖擊、高震動、高溫度、有灰塵的條件下正常運轉;
(4)具有相當好的可調諧參數和選擇性,能獲得寬調諧范圍(380nm~3900nm)和相當好的單色性和高穩定性,使用壽命長,平均無故障工作時間在10kh甚至100kh以上;
(5)采用特殊的器件結構可獲得高功率輸出或超短脈沖輸出。
目前,國內還沒有成熟的大功率光纖激光產品,且關鍵器件都要進口。但近來,國內的大學、研究單位和企業已做了不少工作,取得了不少喜人的成績。國內激光器廠家的光纖激光器產品也從小功率逐步發展到1000W以上。但產品的穩定性,故障率有待市場檢驗。
高功率摻鐿光纖激光器(HPFL)與目前激光加工中常用用的二氧化碳激光器(CO2)、光泵YAG(LP-YAG)、半導體泵浦YAG激光器相比,有更好的光束質量,可得到更小的聚焦光斑,有著非常明顯的優越性,具有電光轉換效率高、光束質量好、泵浦源壽命長、使用方便、環境適應能力強、亦冷卻等優點,使它在激光應用技術領域中呈現出美好的應用前景。隨著光纖激光器應用的更加廣泛,對高功率光纖激光器的需要越來越大。國外主要廠家已經相繼推出了2000W以上能用于金屬切割的光纖激光器。
一般而言,不同的材料加工所需光纖激光器功率如下:
金屬切割:500w~2kw;
金屬焊接和硬焊:500w~20kw;
金屬淬火和涂敷:2~20kw;
玻璃和硅切割:500w~2kw;
聚合物和復合材料切割為200w~1kw;
快速印刷和打印:20w~1kw;
軟焊和燒結為50~500w;
消除放射性沾染為300w~1kw。
隨著光纖激光技術的成熟和市場參入企業的增多,光纖激光發生器價格逐年下降。并且市場一家獨大的狀況逐漸被打破,光纖激光器的價格將會更加合理。
總之,光纖激光器不僅在光纖通信領域占有越來越重要的地位,還在激光技術領域成為目前研究最為活躍的激光光源之一。 它已經引起激光科技人員和企業工程技術人員的極大關注,展現出了一個美好的應用前景。它有非常廣闊的潛在市場,正在形成一個新型高新技術產業。
需要指出的是,光纖激光切割機在金屬加工行業的應用前景非常廣闊,但也存在它的優點帶來的缺陷。由于聚焦光斑小,切縫很細,輔助氣體的吹力難以完全帶走氣化的金屬,致其凝固在反面切縫上形成掛渣現象。因此,即使像AMADA這樣的廠家,在他們4000W級的光纖激光切割機的宣傳上,都強調它的最佳切割厚度在7mm以下,如要切割7mm以上的板材,建議采用CO2激光切割機。因此,板材切割用戶應根據自己對產品的切割要求,成本,資金實力,合理選擇采用CO2激光切割機,YAG激光切割機或光纖激光切割機。特別是光纖激光原則上不可切割鋁,銅等高反射材料,主要光纖激光器廠家很多都強調如切割鋁,銅等材料造成的激光器損壞不在保修范圍之內。如要切割鋁,銅材建議采用YAG激光切割機。
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