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光纤激光器

从灯泵固体激光到光纤激光(一)

星之球激光 来源:光电社区2011-11-03 我要评论(0 )   

《激光世界杂志》2010年第四期光纤激光半导体激光一文说:第一台高功率(灯泵)固体激光器问世时,有人曾预言CO2激光器将走向末日;当第一台千瓦半导体(泵浦)激光器出...

    《激光世界杂志》2010年第四期“光纤激光&半导体激光”一文说:“第一台高功率(灯泵)固体激光器问世时,有人曾预言CO2激光器将走向末日;当第一台千瓦半导体(泵浦)激光器出现在市场上时,其也曾在很长一段时间被认为是激光发展的未来”。今天IPG公司推出几千瓦级单模光纤激光器商品、德国通快公司世界上最著名的精密机床制造商,推出了8毫米毫弧度3千瓦DISK固体激光器,国内有研究单位报道研发出30瓦单模端泵YAG激光器,200瓦单模YAG激光器,光纤激光器通过十一五的五年研究,至少有五家研究单位,研究出1000瓦光纤激光器。为什么说灯泵、半导体泵、光纤激光终究会取代CO2激光在激光加工市场的垄断地位?现实的这些固体激光为什么又取代不了CO2激光?DPL激光、光纤激光技术又如何发展才有可能实现这种“取代”?上篇回答了第一个问题,确信了目前的这些固体激光不能取代CO2激光,中篇从理论上分别简单分析了这些固体激光的结构,证明它们的确不能取代CO2激光,下篇从这些固体激光的结构上的缺点,提出了新的固体激光器的结构,使这种“取代”有了些可能。

    全球激光加工市场统计数据告诉我们,激光加工销售金额最多,对激光器的输出功率、光束质量要求最高的市场——激光切割平板金属,仍然被轴向流动CO2激光垄断。这个市场灯泵激光器的销售金额远比DPL激光、光纤激光高,轴流CO2气体激光器和灯泵固体激光器仍然是高功率、高端激光加工应用的主流激光器。光纤激光器连灯泵激光器都不能取代,更取代不了CO2激光器了。

一、在激光加工应用中,单模高功率固体激光理论上将取代轴流CO2激光

    单模固体激光器的波长1.06微米比CO2激光器10.6微米小了10倍,如果一台1000瓦固体激光器和1000CO2激光器同是单模,会聚光斑直径相同时,固体激光的束散角比CO2激光小10倍,固体激光的瑞利长度r 要比CO2激光的长10倍。切割同样材料的钢板,固体激光器的锥度要好,而且切割深度更深。如果固体激光选择会聚光斑直径比CO2激光小一倍,瑞利长度比CO2激光长五倍,功率密度增加4倍,这样无论在切割锥度、速度和深度上都应该远优于CO2激光器。

    再来考虑美国波音公司的机载激光武器,它使用的是氧碘激光器,功率2兆瓦,发射天线直径1500毫米,目标摧毁400公里外的起飞段的弹道导弹。我们可以推导出下面的公式:



p=1.27*P0*
( D0)2/(d0*α)2 /L2
(一)

公式中,d0激光束的束腰直径,α是激光束的发射全角,P0激光输出功率;D0发射物镜有效通光孔径,L是物镜到会聚点的成像距离,d是会聚光斑直径。p是会聚光斑的功率密度,单位瓦/(平方厘米)2。

下面我们分别计算单模氧碘激光器(波长1.315微米)、固体激光器(波长1.06微米)、CO2激光器(波长10.6微米)在100公里处的会聚光斑直径和2兆瓦单模激光功率密度:

氧碘激光:直径110毫米,功率密度2.1万瓦/平方厘米;

固体激光:90毫米,功率密度3.1万瓦/平方厘米;

CO2激光:900毫米,功率密度310瓦/平方厘米。

一台激光器用于激光加工或激光武器,并不取决于激光输出功率,而是取决于它的亮度,即:

P0/(d0*α)2(单位:瓦/(毫米*毫弧度)2)

从理论上说,一台30瓦单模固体YAG激光器,相当于单模3000瓦的CO2激光器,16.46瓦/(毫米*毫弧度)平方 ;一台200瓦的单模YAG激光器,相当于20千瓦CO2单模激光器,110瓦/(毫米*毫弧度)平方;一台1000瓦的单模光纤激光器,相当于100千瓦的单模CO2激光器,550瓦/(毫米*毫弧度)平方。从这个角度出发,IPG和通快的激光器在激光加工领域的应用应该是完全可以取代CO2激光器了,而且使激光加工水平跃上一个新的水平,带来一场激光金属切割领域的革命(目前单模CO2激光器在3000瓦水平),事实是否定的!

二、从全球激光加工销售数据分析,高功率单模固体激光器仍然没有实现

根据ILS的报道,2010年工业激光市场激光器总销售近15亿美元激光器,其中CO2激光占53%、固体激光占27%,光纤激光占16%。

工业激光主要使用在材料加工、半导体和微电子制造、激光打标和其它应用等四个领域。其中材料加工10.6亿美元,占71%;激光打标1.8亿,占12%;激光用于半导体和微电子制造1.5亿美元,占10%;其它应用7%。

材料加工的10亿美元,CO2激光占68%,固体激光占21%,光纤激光占11%。65%的销售金额6.5亿美元以上是激光切割创造的。激光切割对激光器的要求最高,不仅需要高功率、也需要高光束质量。

CO2激光7.89亿的销售其中7.29亿是用在材料加工的,固体激光在激光材料加工中的份额是2.24亿美元,光纤激光其仅有1.15亿美元。

2009年金融危机以来LFW就不提供详细的各类激光器在工业激光市场的详细销售数据,我们可以以2008年一月LFW发布的数据进行分析,详见表二。

来自ILS2008年第一期的数据,轴流高功率CO2激光器2007年销售了5500台,平均每台销售价格是16万美元;灯泵固体激光器的销售逐年下跌,但是销

售金额总量仍然远高于光纤激光器和半导体泵固体激光器,平均价格是6.4万/台;在轴流CO2激光,灯泵激光,半导体泵激光,光纤激光中,光纤激光器销售数量最高,2007年在工业激光市场,销售了6325台,总金额是1.34亿美元,平均价格3万/台。#p#分页标题#e#

根据以上的数据,光纤激光器的市场占有率增加的非常快,但是在高功率单模应用中就不是这样了,2003年IPG报道了第一台1000瓦单模光纤激光器,随后千瓦级单模光纤激光器的商品就出现了,直至今日市场上并没有出现那种预期。尽管IPG报道的单模光纤激光器输出功率一再上升,他们报道的用光纤激光器切割的技术数据,只能说和CO2激光器相当。据2011年第一期的LFW报道,只有65台高功率光纤激光器用于切割应用的记录,用于激光金属切割,每年销售几千台的CO2激光切割机,这就给IPG的千瓦级光纤激光器是不是单模打了问号。

表一、来自ILS2007年全球工业激光销售数据


 

激光类型


 

2007


 

2008


 

2009 -37


 

2010


 

2011


 

CO2



 

总金额


 

1056


 

1091


 

669


 

789


 

907 15


 

材料


 

990


 

621


 

729


 

839 15


 

半导体


 

13


 

10


 

18


 

20 11


 

打标


 

21


 

16


 

18


 

20-11


 

其它


 

23


 

23


 

24


 

38 -17


 

固体


 

总金额


 

449


 

394


 

340


 

397


 

450 13


 

材料


 

235


 

208


 

224


 

244 9


 

半导体


 

43


 

36


 

67


 

86 28


 

打标


 

71


 

62


 

66


 

71-15


 

#p#分页标题#e#其它


 

44


 

34


 

40


 

49 23


 

光纤


 

总金额


 

189


 

213


 

169


 

239


 

290 21


 

材料


 

114


 

85


 

115


 

138 20


 

半导体


 

13


 

10


 

18


 

22 20


 

打标


 

74


 

67


 

92


 

114-24


 

其它


 

12


 

7


 

14


 

17 23


 


 


 


 


 


 

总金额


 

1694


 

1758


 

1231


 

1495


 

1727


 

表二、2005年——2007年工业应用激光器销售数据(来自LFW杂志)


 


 

密封CO2激光


 

流动型CO2


 

灯泵固体激光


 

半导体泵固体激光


 

光纤激光


 

2007


 

19050


 

5500


 

4890


 

4915


 

6325


 

93百万美元


 

963百万美元


 

315百万美元


 

134百万美元


 

189百万美元


 

2006


 

18000


 

3800


 

5596


 

4625


 

5275


 

88百万美元


 

608百万美元


 

346百万美元


 

102百万美元


 

144百万美元


 

2005


 

76490


 

3450


 

5850


 

5675


 

3475


 

82百万美元


 

552百万美元


 

367百万美元


 

111百万美元


 

91百万美元


 
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