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千瓦級光纖激光器已趨于成熟
材料來源:激光世界           錄入時間:2016/6/2 9:25:57

  

/ John Wallace

 

 

光纖激光器將主動(激光增益)光纖與一個或多個泵浦激光器(通常是激光二極管)結(jié)合在一起。光纖激光器有許多類型,包括低功率連續(xù)(CW)激光器、低能量和高能量脈沖激光器,這其中又包括超快光纖激光器。但是提起光纖激光器,也許很多人想到只是千瓦級連續(xù)光纖激光器,這類光纖激光器主要用于材料加工,包括切割、焊接、釬接、表面處理及其他諸多應(yīng)用,并且光纖激光器正研究用于軍事領(lǐng)域作為定向能武器。

 

光纖本質(zhì)上是一種非常細(xì)的長棒,這種構(gòu)造使其成為兩種具有特別高的表面積與體積比的激光器中的一種(另一種是碟片激光器——寬的、極短的棒),這類激光器更容易保持冷卻。光纖激光器的結(jié)構(gòu)相對比較簡單,易于維護(hù);而且這類激光器體積緊湊,并且由于采用激光二極管泵浦,堅(jiān)固且壽命長。

 

大范圍的功率和波長

IPG Photonics公司市場開發(fā)經(jīng)理Alexei Markevitch概述了千瓦級光纖激光器的波長和功率范圍。“IPG公司生產(chǎn)波長為1μm(摻鐿光纖)和1.5μm(摻鉺光纖)的標(biāo)準(zhǔn)千瓦級CW激光器,同時也生產(chǎn)波長為2μm(摻銩光纖)的定制千瓦級光纖激光器,以及通過拉曼頻移實(shí)現(xiàn)的波長在1.1~1.7μm之間的激光器。他說道,較長的波長使得非金屬材料加工和其他新應(yīng)用成為可能,并且被認(rèn)為是人眼安全的,因?yàn)檫@些波長處的人眼損傷閾值比在1μm波長處高出很多數(shù)量級。

 

Markevitch指出千瓦級光纖激光系統(tǒng)工作在CW或高達(dá)5kHz的調(diào)制模式下,并具有從10%到全功率、且光束發(fā)散或光束輪廓無變化的動態(tài)范圍。

Markevitch介紹說,在1μm波段,IPG公司的單模YLS-SM摻鐿光纖激光器能提供1~10kW的功率范圍。這些單模系統(tǒng)用于那些需要極高功率和極高亮度的先進(jìn)材料加工應(yīng)用中,例如精細(xì)切割和表面結(jié)構(gòu)化、高反射率金屬的切割、微焊接、燒結(jié)和雕刻,以及遠(yuǎn)程加工和定向能應(yīng)用。

 

“IPG公司的多模YLS摻鐿CW光纖激光器,提供1~100kW的功率范圍,甚至可以根據(jù)客戶要求定制高達(dá)數(shù)百千瓦的激光器。Markevitch表示,它們具有許多用途,包括切割、鉆孔、釬接、焊接、退火、熱處理和熔覆。隨著設(shè)計(jì)的不斷完善,標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)YLS系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了超過40%,業(yè)界記錄的YLS- ECO系列的電光轉(zhuǎn)換效率超過50%。

 

相同的多模YLS激光器用于高、低亮度的應(yīng)用,例如焊接、鉆孔和精密切割——這是一種前所未聞的能力。”Markevitch說道,高亮度允許使用長焦加工透鏡,用于大大改進(jìn)場深,并將對光學(xué)元件的損傷降到最低。

 

雖然高亮度多模激光器在材料加工應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位,但是單模千瓦級CW激光器正在贏得越來越多的關(guān)注,因?yàn)樗鼈兛梢允鼓切┬枰?/span>CW峰值功率、極小光斑尺寸、和/或遠(yuǎn)程加工能力的新應(yīng)用成為可能。Markevitch所描述的YLS-SM激光器的一些應(yīng)用,包括用于篩選和過濾的不銹金屬的高速切割、陽極和陰極電池箔的遠(yuǎn)程切削、銅(Cu)和鋁(Al)箔的遠(yuǎn)程和氣體輔助高速切削,以及最小畸變薄金屬的大高寬比窄焊接。

 

Markevitch強(qiáng)調(diào)的千瓦級CW單模激光器應(yīng)用的一項(xiàng)特定案例,是在汽車工業(yè)中的鑄鐵和鋁發(fā)動機(jī)的微結(jié)構(gòu)加工。環(huán)境法規(guī)對更低能耗、以及減少污染和二氧化碳排放量的要求,需要更薄、更輕的發(fā)動機(jī)。一種具有減薄壁厚的馬達(dá)模塊的新型設(shè)計(jì),輔以激光材料加工,使得每個氣缸可減少1公斤的重量。

 

為了獲得更高的機(jī)械阻力并優(yōu)化熱傳導(dǎo),氣缸周圍噴有較薄的等離子體涂層(見圖1)。在實(shí)施熔覆加工之前,氣缸表面加工有微結(jié)構(gòu)槽,微結(jié)構(gòu)的典型特征尺寸為100μm或者更小。

 

 

1:采用IPG公司的2kW單模光纖激光器為汽車發(fā)動機(jī)加工的孔的圓筒形表面,然后采用等離子噴涂產(chǎn)生硬涂覆,取代傳統(tǒng)的氣缸套。激光加工微槽有助于涂覆粘附到氣缸上。

 

以往這種表面結(jié)構(gòu)化都采用機(jī)械或水射流加工。這些傳統(tǒng)技術(shù)有種種弊端。例如,機(jī)械加工效率較低,只能垂直于表面進(jìn)行,且處理不同零件和槽尺寸時需要更換工具。水射流具有非常高的功耗(每個噴嘴120kW),以及較大的耗水量(水受污染),在中產(chǎn)生海綿效應(yīng),需要在真空腔內(nèi)干燥,并且只能在零件上完成。

 

額定功率為2kW的單模YLS-2000-SM激光器,可以加工鐵(Fe)和鋁(Al)零件,易于適應(yīng)處理不同直徑且具有不同深度(深達(dá)30μm)的槽的零件,最大功耗為5.5kW。Markevitch解釋道,還可以實(shí)現(xiàn)不同的凹槽角度。槽的質(zhì)量和生產(chǎn)率相比傳統(tǒng)技術(shù)均大大改善。

 

模塊化設(shè)計(jì)

美國Lumentum公司激光器產(chǎn)品與技術(shù)高級主管Erik Zucker描述了該公司的Corelight千瓦級CW光纖激光器產(chǎn)品線的模塊化特點(diǎn)和內(nèi)部運(yùn)作。我們的基本構(gòu)建模塊是一個輸出功率超過2kW的雙包層光纖、單振蕩器模塊,他解釋說,可以將幾個這種模塊組合在一起,通過單光束提供明顯更高的功率。我們的光纖激光器主要用于2D金屬板切割,包括低碳鋼、不銹鋼、鋁、銅和黃銅等多種材料。它們也可以用于金屬焊接、釬焊和熔覆應(yīng)用。

 

2kW光纖激光器模塊由單光纖振蕩器構(gòu)成;該單光纖振蕩器構(gòu)成通過Lumentum公司的ST系列高亮度、光纖耦合激光二極管陣列進(jìn)行端面泵浦,Zucker表示該泵浦激光器也是由他們公司自己設(shè)計(jì)和制造的(見圖2)。

 

26kWLumentum光纖激光器包含三個2kW的模塊和一個光纖合束器模塊(a)。該光纖激光器由該公司的ST系列高亮度光纖耦合激光二極管泵浦(b)。

 

 

每個泵浦源從106μm芯徑的光纖中產(chǎn)生140W的輸出功率,電光轉(zhuǎn)換效率高于50%。他解釋說,多根泵浦光纖與單根光纖熔接在一起,再熔接到振蕩器的一端。光纖布拉格光柵確定了腔和輸出耦合器。由于2kW的功率是從單個模塊產(chǎn)生的,光束參數(shù)乘積(BPP)很小,通常為0.8mm-mrad。這允許將大景深的小光斑直徑聚焦到金屬切削應(yīng)用的工件表面,反過來又產(chǎn)生了非常高的強(qiáng)度,形成極其有效的切割。

 

Zucker指出采用Lumentum公司光纖激光器的2kW輸出可對25mm厚的低碳鋼進(jìn)行切割4kWCO2激光器只能切割厚度最大為22mm的鋼材。小的BPP帶來快速切割:例如,4kW的功率能夠以75m/min的速率切割1mm厚的鋁;而6kW的功率能以94m/min的速率切割1mm厚的鋁。

 

日本Amada公司是Lumentum公司的一家研發(fā)伙伴和客戶,該公司2kW激光器整合到其切割工具中。2kW激光器的小BPP使部件能具備一種被稱作ENSIS的性能,允許對工件上的光斑尺寸進(jìn)行動態(tài)電調(diào)節(jié)。對于自動切割工作,Zucker介紹說,ENSIS可以無需操作員干預(yù),從薄到厚金屬切削進(jìn)行調(diào)整,提高加工車間的生產(chǎn)率。

 

 

將光輻照到工件

德國羅芬公司生產(chǎn)輸出功率500~8000W之間的CW高功率光纖激光器FL系列),提供多種方案將激光器輸出光輻照到工件上。該公司的激光器可以配備直接熔接光纖獲得單;蚨嗄9馐|(zhì)量;或者配備光纖光纖耦合器或光纖光纖開關(guān),獲得多模光束質(zhì)量,這種方案允許用戶插入多達(dá)四根光纖,用于串行或并行光束應(yīng)用,羅芬公司的激光光源產(chǎn)品經(jīng)理Wolfram Rath介紹說。

 

帶熔接光纖的型號更加緊湊,為單機(jī)柜;而帶光開關(guān)的型號具有獨(dú)立的附件,實(shí)現(xiàn)光束管理。該激光器用于切割、焊接和表面處理,以及各種由集成掃描頭加工支持的、基于掃描頭的應(yīng)用。

 

Rath介紹說,FL系列光纖激光器使用大模場面積雙包層光纖作為增益介質(zhì)。包括主動單模纖芯和大直徑包層,光束在其中傳播,他指出,長壽命泵浦模塊出射的泵浦光,通過泵浦耦合器從兩側(cè)送入包層。它們?yōu)楸粍永鋮s,容忍獨(dú)立的單個故障,需要時可以在現(xiàn)場進(jìn)行更換。諧振腔鏡通過刻寫光纖布拉格光柵(FBG)形成。

 

單個光纖激光器模塊的激光輸出功率達(dá)到2.4kW,額定功率為2kW。通過全光纖功率合束器,可以組合多達(dá)四個光纖激光器單元,獲得8kW的總額定功率,這可以通過多達(dá)四根100μm芯徑的加工光纖傳輸至加工單元。

 

 

3羅芬公司基于掃描頭的光纖激光器正在進(jìn)行汽車零部件焊接。

 

Rath表示,這些高功率光纖激光器是宏觀應(yīng)用分支中金屬激光切割和焊接的標(biāo)準(zhǔn)工具(見圖3)。標(biāo)準(zhǔn)的切割系統(tǒng)通常配備緊湊的光纖激光器,根據(jù)切割系統(tǒng)的功率和板材厚度,配備芯徑為50μm100μm的直接加工光纖。汽車部件焊接在幾個工作站內(nèi)頻繁實(shí)現(xiàn),幾個工作站通過不同的、可長達(dá)100m的光纜與激光器相連接。 Rath解釋道,這樣的設(shè)置有助于減少周期時間,優(yōu)化激光的利用。例如,當(dāng)激光器在B工作站處焊接第二個工件時,A工作站內(nèi)可以裝配并夾持零件。

 

由于通過選擇光纖尺寸可以使光纖激光器與應(yīng)用相匹配,因此相同的激光器可以用于不同的操作。例如,制造一種汽車零件采用三種不同的激光加工方法在三個工作單元內(nèi)順序執(zhí)行:去除涂層(采用高光束質(zhì)量和集成掃描頭加工實(shí)現(xiàn))、切割孔徑以獲得完美匹配,以及焊接工序。

 

 

背反射隔離

在高度反射的材料上進(jìn)行操作的千瓦級工業(yè)光纖激光器,面臨背反射的問題。從工件上激光光學(xué)元件聚焦區(qū)域反射的光,通過激光系統(tǒng)后向傳輸。由于工件表面的不規(guī)整性,缺乏與表面法線的精確對準(zhǔn),以及加工元件有限的收集角,典型的背反射僅為激光功率的一小部分;此外,在許多情況下,背反射的持續(xù)時間短(例如穿孔)。美國nLIGHT公司總經(jīng)理Jake Bell說,然而,一些光纖激光器的設(shè)計(jì)使得加工反射材料變得困難或者不可能。

 

nLIGHT公司生產(chǎn)一系列材料加工光纖激光器,輸出功率范圍500W~4kW。在其他特性中,nLIGHT公司的alta系列具有獨(dú)特的配置,以最小化背反射。背反射所造成的損傷通常是由于光學(xué)功率沉積到聚合物材料中,由于過熱而燒壞的結(jié)果。Bell說,nLIGHT公司的alta將耦合進(jìn)傳輸光纖中的背反射光剝離,并將其引導(dǎo)到水冷光束收集器,在該處激光被轉(zhuǎn)換成熱而不與聚合物有任何相互作用,從而消除了主要損傷機(jī)理。該無聚合物隔離器設(shè)計(jì)成可持續(xù)收集超過500W的光(見圖4)。

 

 

4nLIGHT alta設(shè)計(jì)成在激光器和傳輸光纖之間具有背反射隔離器(a)。直接背反射進(jìn)光纖大于500W的連續(xù)激光穩(wěn)定性數(shù)千小時的壓力測試,顯示沒有不穩(wěn)定運(yùn)行的指征(b)。

 

Bell表示我們評估了穿孔時隔離系統(tǒng)的性能,在這種激光切割下產(chǎn)生最高的背反射信號。該測試成功處理了銅的連續(xù)4000次穿孔,沒有中斷或故障的穿孔。與由我們的背反射隔離器提供的可靠的、基于硬件的保護(hù)相反,一些其他的光纖激光器利用軟件保護(hù)在背反射的情況下禁止激光;這種方法可能保護(hù)激光器,但它妨礙成功和連續(xù)的材料處理。

 

Bell指出,收集在隔離器中的背反射光,用光電二極管監(jiān)測。該傳感器的實(shí)時輸出提供給用戶,用于在過程監(jiān)控、優(yōu)化和控制(例如穿孔檢測)中使用,或者是工具校準(zhǔn)(如光束位置和焦點(diǎn))。

 

Bell概括的nLIGHT alta激光器的其他特質(zhì)包括改進(jìn)的切割和焊接性能,這些激光器可以提供高達(dá)100kHz的調(diào)制率,以及低于5μs的上升和下降時間。這些功能允許更快的穿孔,精細(xì)特征更快的處理速度,并通過最小的熱影響區(qū)實(shí)現(xiàn)更好的加工質(zhì)量。

 

大多數(shù)數(shù)千瓦級光纖激光器系統(tǒng)采用對基于多個低功率光纖激光器的輸出合束的架構(gòu),導(dǎo)致成本、性能、可維護(hù)性、可升級性以及對技術(shù)進(jìn)步的順應(yīng)性方面的顯著缺點(diǎn)。”Bell補(bǔ)充道,我們介紹一種新穎的千瓦光纖激光器架構(gòu),通過將泵浦二極管和驅(qū)動器安放在單獨(dú)的泵浦模塊中,以及將增益光纖安放在可配置的增益模塊中,解決了這些問題,可以產(chǎn)生超過4kW的輸出功率。

 

這些激光器具有可調(diào)整的光束質(zhì)量(BPP≥1.1mm-mrad),已經(jīng)應(yīng)用于低碳鋼、硼鋼、不銹鋼、鋁、黃銅和銅的高質(zhì)量切割和焊接,并且也已經(jīng)在新興的應(yīng)用,包括增材制造、表面紋理化和雕刻中得以使用。

 

快速組件更換或升級

根據(jù)美國相干公司材料加工市場總監(jiān)Frank Gaebler的描述,第一代光纖激光器直接基于電信平臺大規(guī)模擴(kuò)展到更高功率,它們采用大量的單獨(dú)泵浦激光二極管,每個都采用獨(dú)立光纖耦合,并永久熔接在一起。

 

這種獲得更高功率的方法有幾個限制。他說,特別是所有部件被永久熔接在一起。如果一個組件出現(xiàn)故障或退化,就沒有辦法進(jìn)行更換。例如,早期的產(chǎn)品對來自于金屬加工的背反射非常敏感。如果光纖熔接、泵浦二極管、傳輸光纖,或任何其它激光器組件由于這種背反射損壞,必須將激光器拿到工廠修理或更換,這將影響正常運(yùn)行時間和生產(chǎn)效率。

 

相干公司制造了基于靈活的模塊化架構(gòu)的第二代千瓦級光纖平臺(Highlight FL)(見圖5)。相干公司的工程師們使用實(shí)質(zhì)上不同的設(shè)計(jì)方法,消除了多個泵浦和熔接的復(fù)雜性,具備模塊化架構(gòu),還允許簡單替換和/或升級各種組件,包括傳輸光纖。

 

 

5:相干公司Highlight FL光纖激光器可以結(jié)合機(jī)器人使用,使白色家電(洗衣機(jī)、廚灶等)行業(yè)的高速3D零件切削成為可能。

 

我們使用光纖耦合高功率激光二極管巴條,而不是多個獨(dú)立的激光二極管, Gaebler說,然后它們的輸出采用自由空間耦合進(jìn)入增益光纖;這種耦合模塊也可用于將增益光纖連接到可拆卸的傳輸光纖。他補(bǔ)充說,這樣的做法對OEM系統(tǒng)集成商特別具有吸引力,因?yàn)樗麄兛梢愿鶕?jù)專業(yè)知識水平或者深度集成的要求,購買完整的激光器或單獨(dú)的模塊,并且可以迅速改變或更換傳輸光纖以適應(yīng)不同的應(yīng)用。

 

在規(guī)格方面,目前相干公司的Highlight FL光纖激光器瞄準(zhǔn)大功率的穩(wěn)定增長,Gaebler介紹說,最新型號可提供3kW的功率,并有望在2016年增加到4kW。目前,我們的傳輸光纖模塊提供100μm纖芯,其對應(yīng)的BPP約為4mm·mrad。他說,對于某些型號,最近已可以提供50μm纖芯的傳輸光纖BPP可以降低高達(dá)兩倍。由于具有高功率和低BPP,這些HighLight FL激光器非常適合用于處理厚度從薄箔到幾毫米的金屬。

 

Gaebler指出,早期的光纖激光器有時受困于切割、鉆孔和焊接某些金屬。例如,光纖激光器的基頻輸出波長通常在1μm附近。在該波長區(qū)域,黃銅和銅表現(xiàn)出非常高的反射率,銅鏡廣泛用于各類近紅外激光器的光束傳輸就是證明。背向反射已經(jīng)使這些金屬成為第一代光纖激光器加工的顯著挑戰(zhàn)。

 

 

6:不受背向反射的影響,使得某些高反射金屬材料的切割成為可能。橫截面視圖顯示了用相干的Highlight FL激光器切割1.25mm厚的黃銅(a)和1.2mm的銅(b)。

 

根據(jù)Gaebler的描述,不同于第一代光纖激光器,Highlight FL激光器架構(gòu)不受背向反射損傷的影響有兩大原因:1)二向色光束合束器的幾何形狀和光學(xué)性質(zhì),意味著任何背向反射不能到達(dá)泵浦二極管巴條;2)不存在光纖熔接,從而不會被任何背向反射損傷。其結(jié)果是該激光器不受對反射性金屬需格外小心加工這一因素的限制(見圖6)。


 


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