碟片激光器（Disk Laser）设计理念的提出，有效地解决了固体激光器的热效应问题，实现了固体激光器高平均功率、高峰值功率、高效率、高光束质量的完美结合。碟片激光器在汽车、船舶、铁路、航空、能源等领域成为不可替代的新型加工用激光光源，目前全球仅有德国Trumpf公司具有生产高功率碟片激光器的技术，最高功率达到16千瓦，光束质量达到8毫米毫弧度，实现了机械手的激光远程焊接和大幅面激光高速切割，为固体激光在高功率激光加工领域开辟了广阔的应用市场。

　　相比于光纤激光器，碟片固体激光器还具有以下优势：

　　（1）超薄的晶体封装结构（100-300μm）和高效的热管理技术使得碟片固体激光器的热效应极大的降低，保证高光束质量激光的输出。在维持泵浦功率密度一定的条件下，通过扩大泵浦增益区的面积或采用简单的级联方式，实现更高功率连续激光的输出（目前单碟实现5千瓦的激光器，4碟串联实现16千瓦的激光输出）。

　　而光纤激光器由于光纤芯径的限制，如功率太高会出现非线性效应，所以，现有的4千瓦光纤激光器都是有4个1千瓦的光纤激光器非相干合成而获得的。

　　（2）碟片激光器可以获得高峰值功率脉冲激光输出，有利于获得可见光和紫外光的激光束。

　　（3）碟片激光器分离器件的设计方案和增益介质的增益饱和特性，无背向反射光的产生，不会对光学器件或膜层造成损伤（光纤激光器不可回避的技术问题），利于更高功率激光的输出。

　　（4）在工业应用中，碟片激光器为分立元件构成，如有损坏，可现场更换相应元件，成本较低，维修时间短；而光纤激光器所有元件都由光纤焊接在一起，如出现损坏，则需返厂维修，更换所有光纤元件，成本较高，维修周期较长。

　　因此，高端工业激光器知名企业德国Trumpf将高功率碟片固体激光器作为公司主推的核心产品，其推出了一系列碟片激光器产品及相关成套工业应用设备。其激光器功率范围涵盖1千瓦至16千瓦，成套加工装备包括碟片激光切割装备、碟片激光三维焊接装备、碟片激光远程焊接装备、碟片激光三维加工中心等。其产品应用于高速切割、焊接、打孔等工业加工领域。因其具有加工速度快、精度高、使用方便、可靠性强，并能完成多种其他激光器难以胜任的高难度加工任务，尤其是得益于碟片激光器特殊的光学结构、合适的波长，其在有色金属等高反射材料加工方面优势明显。

　　国内在“十一五”期间，华中科技大学与俄罗斯合作进行了“高功率碟片固体激光器的研究”项目，通过近五年的攻关，建立了高功率碟片激光器研发平台，验证了双抛物面共轭成像多次泵浦碟片晶体的新方法，实现了单碟1千瓦，五碟4千瓦的碟片激光器原理样机（图1为4千瓦碟片固体激光原理样机出光现场）。使中国成为第二个拥有自主知识产权高功率碟片激光器的国家，但该原理样机和工业激光器产品间还存在较大差距。

图1  4千瓦碟片激光器原理样机出光现场

       梅曼科技承担的2千瓦碟片激光器及其成套装备产业化项目旨在针对2千瓦碟片固体激光器的碟片晶体高效冷却技术、泵浦匀化技术、综合热管理技术、串接谐振腔技术、光纤耦合技术等多项关键基础技术进行深入研究，提供高功率碟片激光器工程化成套解决方案，实现8毫米毫弧度、2千瓦激光的稳定输出，实现2千瓦碟片固体激光器的规模化生产。

　　在开发出2千瓦光纤耦合输出碟片固体激光器基础上，该项目将进一步开发2千瓦光纤耦合碟片激光切割设备、2千瓦光纤耦合碟片激光焊接设备。切割速度：15米/分（1毫米厚钢板），焊接速度：4.5米/分（1毫米厚钢板）。

　　在项目研发成功后，梅曼科技有限公司准备学习德国Trumpf激光的市场运行策略，不直接销售高功率碟片固体激光器，而是销售基于高功率碟片固体激光器的切割和焊接系统，靠拥有核心技术，获取相应的激光切割和焊接的经济和社会效益。

　　通过“2千瓦碟片激光器及其成套装备的产业化”项目的实施，将在华中科技大学激光加工国家工程研究中心建成系列碟片激光器原创性研发基地，该基地将具备3千瓦至8千瓦碟片激光器、数百瓦调Q脉冲碟片激光器、绿光碟片激光器和皮秒碟片激光器的研发能力；将在梅曼科技有限公司建成系列碟片激光器及其切割、焊接系统的工程化创新基地。该基地将承接华中科技大学激光加工国家工程研究中心系列碟片激光器原理样机的工程化研发任务，具备相应的工程化设计、加工能力；将在武汉梅曼科技有限公司建成2千瓦光纤耦合碟片激光器、2千瓦光纤耦合碟片激光切割机、2千瓦光纤耦合碟片激光焊接机中试生产基地。

　　二、项目目标及主要研发内容

　　1、主要目标（项目目标的涵盖范围要与项目名称相对应；目标应该明确具体，在2～3年内能够完成）。

　　在项目执行期内完成2千瓦碟片固体激光器的工程化和中试生产，并基于该固体激光器开发光纤耦合碟片激光切割装备和光纤耦合碟片激光焊接装备（包括相关切割与焊接工艺研究）。最终实现2千瓦碟片固体激光器、2千瓦光纤耦合碟片激光切割设备、2千瓦光纤耦合碟片激光焊接设备，实现高质量的切割与焊接。

　　1.1、具体技术指标：

　　（a）碟片激光输出功率：2000W

　　（b）激光功率稳定度：2%

　　（c）激光光束质量：BPP≤8毫米·毫弧度

　　（d）激光连续工作时间：8小时

　　（d）切割速度：15米/分（1毫米厚钢板）

　　（e）焊接速度：4.5米/分（1毫米厚钢板）　1.2、预期成果

　　（a）鉴定成果2-3项。

　　（b）发明专利2-3项

　　（c）填补国内2千瓦光纤耦合碟片激光器产品空白。

　　（d）填补国内2千瓦光纤耦合碟片激光切割机产品空白。

　　（e）填补国内2千瓦光纤耦合碟片激光焊接机产品空白。

　　2、研发内容（包括项目主要研发内容，项目技术关键和项目主要创新点）。

　　2.1、研发内容及关键技术

　　为有效回避现有碟片固体激光器专利的种种壁垒，开发出具有自主知识产权的2千瓦光纤耦合碟片激光器以及相关成套设备，从设计源头出发，采用具有自主知识产权的“共轭双抛物面多程泵浦系统”的新型碟片激光器技术，开展全面系统研究，具体研究内容如下：

　　（a）高强度、高稳定性碟片激光器机械结构设计和制造#p#分页标题#e#

　　从稳定性和可靠性的角度出发，对2千瓦碟片固体激光器的半导体泵浦单元、泵浦光传输与多程传输单元、冷却单元、光学谐振腔单元以及系统基本架构进行稳定性与形变（热形变、机械形变）分析，设计出高稳定性、高可靠性的机械结构和光学结构。

　　（b）高功率激光器光腔密封及空气冷却循环的设计与实现

　　2千瓦碟片固体激光器激光振荡光路的密封问题以及热辐射引起光路中热空气的扰动是影响激光输出稳定性的主要因素之一，采用流体热力学的大型分析软件模拟热空气对激光稳定的影响，设计优化的密封和空气循环系统，实现稳定的激光输出。

　　（c）碟片激光器激光电源及控制系统的设计。

　　研发满足2千瓦碟片固体激光器工业化应用的大电流工业电源，在提供必要能量注入的同时，对高功率半导体泵浦模块、碟片激光器冷却系统的流量进行实时监测和反馈，确保碟片激光器内核心部件的安全可靠运行。（d）碟片激光器光纤耦合技术；

　　将输出的激光经光束变换后耦合到工业光纤中，实现碟片激光器的光纤输出，便于柔性加工和智能化运行，重点解决光纤耦合过程中耦合效率和光纤端面的冷却技术。

　　（e）碟片激光器智能化控制系统

　　对碟片固体激光器的输出功率、电流、温度、湿度、冷却水质闭环反馈控制系统，故障自动报警系统，相应输入输出接口、用户控制界面的设计与实现碟片固体激光器系统的智能化运行。

　　（f）2千瓦光纤耦合碟片激光器切割系统及切割工艺

　　针对2千瓦光纤耦合碟片激光器开发相应的激光切割系统（机器人的三维切割）并进行切割工艺的研究建立专业的切割数据库。

　　（g）2千瓦光纤耦合碟片激光器焊接系统及焊剂工艺

　　针对2千瓦光纤耦合碟片激光器开发相应的激光焊接系统（机器人的三维切割）并进行焊接工艺的研究建立专业的焊接数据库。

　　2.2、项目的主要创新点

　　（a）系统设计和开发高稳定性、高可靠性的机械结构和光学结构。

　　采用流体力学+热力学的耦合分析模型对高功率碟片固体激光器的各个核心部件进行全面的优化设计，尤其对多阵列冲击冷却单元所引起的微变形问题进行在设计以提高系统的稳定性和可靠性，使本项目的主要创新点之一。

　　（b）深入分析热空气的扰动对碟片固体激光器输出稳定性的影响

　　由于碟片固体激光器的特殊结构导致其核心光学元件的热辐射引起的周围热空气的流动对输出激光的稳定性影响较大，采用动态空气流动技术以减少上述因素的影响，提升激光输出的稳定性。

　　（c）碟片激光器激光电源及控制系统的设计

　　采用恒压源的设计方案，经多级诊断对所驱动LD高功率模块的运行状态进行检测，并同时分析模块流量、离子度等核心指标保证LD激光模块的安全可靠运行。三、项目综合分析

　　2千瓦光纤耦合碟片激光器、2千瓦光纤耦合碟片激光切割机、2千瓦光纤耦合碟片激光焊接机的研发成功，将使梅曼科技有限公司成为全球第二家、中国唯一一家拥有高功率碟片激光器及其应用系统核心技术的企业，将在近5年内独享高功率碟片激光器及其应用系统的市场。

　　从世界范围内激光加工行业的格局分析，截至2011年底，大功率激光切割成套设备在欧洲安装有13000台，北美安装有12000台，日本安装有10000台，我国台湾安装已超过500台。中国大陆年进口2千瓦光纤激光器自行装配的固体激光切割机，年销售约500台。以高切割速度、高精度和大切割幅面为特征的高端数控激光切割成套设备的需求量日益增加，具有广阔的市场空间和产业化应用前景。武汉梅曼科技有限公司的高功率碟片固体激光切割机，将以全球最优的性能价格比，站住激光切割机高端市场优势地位。

　　据我国钢铁行业协会的不完全统计，在未来10年中，我国钢铁行业需要更新或者新建的激光焊接机组大约为70～100台。以平均每台进口价格5500万元人民币计算，共需要花费人民币40～55亿元人民币。如果采用自主研制的国产激光焊接成套设备，即使在目前条件下高功率万瓦激光器采用进口设备，每台售价可以控制在进口价的40%～60%，可以直接节约人民币16～30亿元。如果考虑到本课题完成后，继续开发出国产8千瓦碟片激光设备逐渐取代进口激光设备，可以节约的经费将更加巨大。更为重要的是，这可以作为我国激光加工高端装备在冶金行业应用的示范点，带动激光加工设备向其它应用领域发展。优良的性能/价格比还可以有利于激光焊接成套设备向海外市场进军，成为我国高技术出口的重要案例。

　　本设备的另一个重要意义就是带动我国高功率固体激光器件的发展。当前，我国高功率固体激光器的功率水平一直在1千瓦左右徘徊。通过本项目的研发，可以促进我国万瓦级高功率固体激光器走向工程化，研究成果还可以向船舶制造、飞机制造、机车车厢制造等行业转化，具有明显的带动作用。课题的研究成果还可用于薄板的重卷机组、镀锌板和镀锡板的焊接机组等，全面阻击国外同类焊接设备向我国冶金行业的渗透，产生更大的社会、经济效益。