《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ILS的2007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台 |
5500台 |
4890台 |
4915台 |
6325台 |
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台 |
3800台 |
5596台 |
4625台 |
5275台 |
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台 |
3450台 |
5850台 |
5675台 |
3475台 |
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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