自激光诞生以来,产业界就对其优异的性能报以极大的兴趣,并捷足先登获得了应用。预计产业界2011使用的激光器产品销售额超过17亿美元,而激光设备的销售额超过66亿美元。其中,金属加工行业占居绝大部分。
在金属加工行业,激光的应用已有数十年的历史。长期以来,金属切割领域,1000W以上的CO2激光器占主导地位。近年,以鸿镭激光为代表的国内激光设备商推出的中功率(500W)灯棒式YAG金属激光切割机获得了市场的广泛的认可,占领了国内低端金属切割机市场。
但是,无论是CO2还是灯棒式YAG激光,激光的产生原理决定了其性能受到一定的局限。大功率CO2激光器体积庞大,但激光发散角较小,可以采用飞行光路实现切割的工艺要求,但光斑粗大,能量密度低是其很大的弱点。灯棒式YAG激光的光斑能量密度可以做到远小于CO2激光器,但光束发散角很大。
具有高效、高能量密度及柔软传输性的激光,是金属切割行业梦寐以求的产品。
激光器问世不久,美国光学公司(American optical corporation)的Snitzer 和Koester于1963年首先提出光纤激光器和放大器的构思。1966年高锟和Hockham提出了光纤通信的基本概念。1970年后光纤通信经历研究开发阶段(1966-1976),实用化阶段(1977-1986)迅速进入1986年以后的大规模光纤通信建设阶段。随着光通信的迅猛发展,光纤制造工艺与半导体激光器生产技术日趋成熟,为光纤激光器和放大器的发展奠定基础。英国的南安普敦大学和通讯研究实验室、德国汉堡技术大学、美国的Polaroid Corporation,Bell实验室,日本的NTT、Hoya均在光纤激光器研究中取得许多重要成果。
近年来,大功率光纤激光器不断问市,性能稳定,已经具有了很高的实用价值,并且最大功率达1万瓦;单模输出功率高达1000W,光束质量非常好,M2小于1.1。
光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本相同。它具有如下主要特点。
(1)光纤作为导波介质,纤芯直径小,纤内易形成高功率密度,可方便地与目前的光纤通信系统高效连接,构成的激光器具有高转换效率、低阈值、高增益、输出光束质量好和线宽窄等特点;
(2)由于光纤具有极好的柔绕性,激光器可设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小、易于系统集成、性能价格比高;
(3)由于光纤具有很高的“表面积/体积”比,散热效果非常好,所以光纤激光器可以工作在-20~70℃的环境温度内,不需要庞大的水冷系统,只需简单的风冷即可,且可在恶劣的环境下工作,如在高冲击、高震动、高温度、有灰尘的条件下正常运转;
(4)具有相当好的可调谐参数和选择性,能获得宽调谐范围(380nm~3900nm)和相当好的单色性和高稳定性,使用寿命长,平均无故障工作时间在10kh甚至100kh以上;
(5)采用特殊的器件结构可获得高功率输出或超短脉冲输出。
目前,国内还没有成熟的大功率光纤激光产品,且关键器件都要进口。但近来,国内的大学、研究单位和企业已做了不少工作,取得了不少喜人的成绩。国内激光器厂家的光纤激光器产品也从小功率逐步发展到1000W以上。但产品的稳定性,故障率有待市场检验。
高功率掺镱光纤激光器(HPFL)与目前激光加工中常用用的二氧化碳激光器(CO2)、光泵YAG(LP-YAG)、半导体泵浦YAG激光器相比,有更好的光束质量,可得到更小的聚焦光斑,有着非常明显的优越性,具有电光转换效率高、光束质量好、泵浦源寿命长、使用方便、环境适应能力强、亦冷却等优点,使它在激光应用技术领域中呈现出美好的应用前景。随着光纤激光器应用的更加广泛,对高功率光纤激光器的需要越来越大。国外主要厂家已经相继推出了2000W以上能用于金属切割的光纤激光器。
一般而言,不同的材料加工所需光纤激光器功率如下:
金属切割:500w~2kw;
金属焊接和硬焊:500w~20kw;
金属淬火和涂敷:2~20kw;
玻璃和硅切割:500w~2kw;
聚合物和复合材料切割为200w~1kw;
快速印刷和打印:20w~1kw;
软焊和烧结为50~500w;
消除放射性沾染为300w~1kw。
随着光纤激光技术的成熟和市场参入企业的增多,光纤激光发生器价格逐年下降。并且市场一家独大的状况逐渐被打破,光纤激光器的价格将会更加合理。
总之,光纤激光器不仅在光纤通信领域占有越来越重要的地位,还在激光技术领域成为目前研究最为活跃的激光光源之一。 它已经引起激光科技人员和企业工程技术人员的极大关注,展现出了一个美好的应用前景。它有非常广阔的潜在市场,正在形成一个新型高新技术产业。
需要指出的是,光纤激光切割机在金属加工行业的应用前景非常广阔,但也存在它的优点带来的缺陷。由于聚焦光斑小,切缝很细,辅助气体的吹力难以完全带走气化的金属,致其凝固在反面切缝上形成挂渣现象。因此,即使像AMADA这样的厂家,在他们4000W级的光纤激光切割机的宣传上,都强调它的最佳切割厚度在7mm以下,如要切割7mm以上的板材,建议采用CO2激光切割机。因此,板材切割用户应根据自己对产品的切割要求,成本,资金实力,合理选择采用CO2激光切割机,YAG激光切割机或光纤激光切割机。特别是光纤激光原则上不可切割铝,铜等高反射材料,主要光纤激光器厂家很多都强调如切割铝,铜等材料造成的激光器损坏不在保修范围之内。如要切割铝,铜材建议采用YAG激光切割机。
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