在過(guò)去的四十多年中，激光技術(shù)已經(jīng)在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域譜寫(xiě)了無(wú)數(shù)的成功故事，甚至現(xiàn)在有很多應(yīng)用是離開(kāi)激光所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。本文將分為兩篇，從激光光源的工業(yè)突破到不斷完善的應(yīng)用技術(shù)，向您介紹Rofin在宏觀材料加工領(lǐng)域的激光技術(shù)發(fā)展情況。
萬(wàn)事開(kāi)頭
激光材料加工始于上個(gè)世紀(jì)六十年代后半期，脈沖固態(tài)激光器首先開(kāi)始用于鉆孔和點(diǎn)焊應(yīng)用，連續(xù)波CO2激光器用于切割和連續(xù)波焊接。
激光材料加工始于上個(gè)世紀(jì)六十年代后半期，脈沖固態(tài)激光器首先開(kāi)始用于鉆孔和點(diǎn)焊應(yīng)用，連續(xù)波CO2激光器用于切割和連續(xù)波焊接。
宏觀激光應(yīng)用（切割、焊接、硬化和熔覆等）于上個(gè)世紀(jì)七十年代末和八十年代初被引入到工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中。CO2激光器是當(dāng)時(shí)頗受歡迎的光源，因?yàn)樗鼈冊(cè)诋?dāng)時(shí)具有最高的加工效率，并能達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)所需要的功率要求。
并非所有的技術(shù)和元件在早期都是可用的。激光器、用于光束傳輸?shù)墓鈱W(xué)元件、聚焦元件如透鏡和離軸拋物面銅鏡、氣體噴嘴、加工工藝以及氣體供給系統(tǒng)，都必須針對(duì)高功率和工業(yè)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)和優(yōu)化。此外，所有的安全法規(guī)都有待開(kāi)發(fā)，并在國(guó)際上標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)用于光束質(zhì)量定義和測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)也有待發(fā)展。
激光光源的工業(yè)突破
1 CO2激光器
圖1：1973年的橫流CO2激光器（左圖）和2014年的CO2板條激光器（右圖）。
隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)す饧庸さ呐d趣越來(lái)越濃，工業(yè)領(lǐng)域?qū)煽康募す饧庸は到y(tǒng)的需求開(kāi)始增長(zhǎng)。對(duì)于CO2激光源和系統(tǒng)而言，銅光學(xué)元件和低損耗ZnSe 透射元件具備反射或抗反射薄膜涂層，對(duì)于諧振器元件、光束傳輸和聚焦而言具有重要價(jià)值。這時(shí)出現(xiàn)的一項(xiàng)主要進(jìn)展是用于焊接應(yīng)用的高度可靠耐用的、具有鉬涂層的聚焦鏡。為了保證始終如一的切割質(zhì)量，帶有自動(dòng)噴嘴遠(yuǎn)程控制和優(yōu)化的氣流的切割頭也被開(kāi)發(fā)了出來(lái)。
當(dāng)時(shí)CO2激光器市場(chǎng)中存在三個(gè)不同的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，這三種技術(shù)主要通過(guò)氣體冷卻的類型加以區(qū)分：慢流的高光束質(zhì)量中功率（約150 W）激光器、橫流和快軸流激光器，功率高達(dá)20kW。一個(gè)附加的區(qū)分技術(shù)是氣體放電激勵(lì)的類型。該氣體既可以被直流（DC）放電激勵(lì)，這種方法比較高效；亦或是通過(guò)RF放電激勵(lì)，這種方法的優(yōu)勢(shì)是電極可以位于氣體管外，有助于保持氣體清潔。
以下幾個(gè)因素決定了CO2激光源的擁有成本：
● 氣體消耗
● 電力消耗，特別是待機(jī)時(shí)的消耗
● 光學(xué)元件的消耗（主要是光束輸出耦合元件）
● 其他備件的消耗
雖然上述幾個(gè)決定CO2激光器擁有成本的要素都在不斷發(fā)展完善，但是一項(xiàng)新理論的出現(xiàn)明顯地降低了CO2激光器的總體擁有成本，并且沒(méi)有任何不足，它就是擴(kuò)散冷卻射頻激勵(lì)CO2板條激光器。
有了這種新的擴(kuò)散冷卻技術(shù)，CO2板條激光器不需要任何復(fù)雜的排氣系統(tǒng)設(shè)置，氣體消耗量基本可以忽略不計(jì)，實(shí)現(xiàn)了待機(jī)功耗最小化，并且不要求任何維護(hù)用的通風(fēng)技術(shù)。此外，只由銅反射鏡制成的諧振器以及一個(gè)用于光束傳輸?shù)慕饎偸繉哟翱冢蛊錈o(wú)需再定期更換光學(xué)元件。
出色的基本橫向模式光束質(zhì)量，允許在切割應(yīng)用中使用更小的切口寬度、在焊接應(yīng)用中使用更窄的焊縫，換句話說(shuō)，這意味著更低的功率或更高的加工速度。 Rofin公司于1993 年將第一款板條激光器引入市場(chǎng)，并于2005年將該技術(shù)的功率提高到了8 kW，其已經(jīng)能夠覆蓋工業(yè)激光應(yīng)用的主要范圍。對(duì)于很多加工而言，10 μm 的長(zhǎng)波長(zhǎng)更具優(yōu)勢(shì)，因此這些激光器依然是當(dāng)今和未來(lái)的最佳選擇。
2 固體激光器
圖2：4 kW的二極管泵浦固體激光器（左圖）和4 kW的光纖激光器（右圖）。
另一種在工業(yè)材料加工領(lǐng)域獲得主導(dǎo)地位的激光器是輸出波長(zhǎng)約為1 μm 的固體激光器。
使用固體激光器的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是可以利用高度柔性的光纖傳輸光束，這種方法已經(jīng)在八十年代后半期進(jìn)入市場(chǎng)。Rofin 連同其子公司Optoskand 一起，為脈沖固體激光器開(kāi)發(fā)出了傳輸光纖，輸出功率可達(dá)500 W。那時(shí)光纖的纖芯直徑為800~1000 μm，光束質(zhì)量80 mm•mrad。
在上個(gè)世紀(jì)九十年代中期，在光纖端面使用石英，使得光纖技術(shù)迎來(lái)了發(fā)展歷程中的重要一步。更大的表面實(shí)現(xiàn)了更低的功率密度，不但改善了機(jī)械安裝，而且降低了防反射（AR）涂層造成的損耗。
在汽車車身焊接應(yīng)用中，芯徑600 μm 的光纖曾代表了最先進(jìn)的水平。由于光束質(zhì)量獲得了顯著改善，二極管泵浦的固體激光器要求將纖芯直徑減小到300~400 μm。今天，芯徑為50 μm~1 mm 的損耗低、高可靠的Optoskand 光纖，已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。
眾所周知的固體激光器的一種最古老的設(shè)計(jì)是在采用Nd:YAG 晶體棒做增益介質(zhì)。直到上個(gè)世紀(jì)九十年代末，這種晶體都是用閃光燈泵浦。這類激光器只有3％的電光轉(zhuǎn)換效率，閃光燈的壽命大約為1000~2000 小時(shí)。所有的激光專家都希望用激光二極管取代閃光燈。激光二極管具有以下兩大技術(shù)優(yōu)勢(shì)：更高的效率和更低的熱負(fù)荷，能獲得更好的總體效率和改善的光束質(zhì)量。
Rofin 公司于1997 年收購(gòu)了半導(dǎo)體激光器公司DILAS，并且僅在一年之后就推出了第一款幾千瓦級(jí)的二極管泵浦固體激光器。這些激光器能夠達(dá)到大約10%的更高效率、12 mm•mrad 的光束質(zhì)量和更長(zhǎng)的激勵(lì)模塊使用壽命。下一步技術(shù)發(fā)展則是將增益介質(zhì)的形狀從棒狀改變到碟片狀，以提供高于20% 的整體效率和大約5mm•mrad 的更好的光束質(zhì)量。
除了泵浦模塊的使用壽命外，固體激光器領(lǐng)域的一個(gè)重要的問(wèn)題是如何有效地帶走激光增益介質(zhì)中的熱量。如果是典型的增益介質(zhì)為棒狀的固體激光器，則光束質(zhì)量受徑向熱梯度的影響顯著，即所謂的“熱透鏡效應(yīng)”。使用碟片狀增益介質(zhì)，能夠減少熱透鏡效應(yīng)，因?yàn)槠淠軌蛟诘谋趁鎸?shí)施高效的大面積散熱，從而能產(chǎn)生連續(xù)一致的高光束質(zhì)量。在2003-2010 年間，Rofin 曾提供用于工業(yè)切割和焊接應(yīng)用的高功率碟片激光器。
3 光纖激光器
圖3：高達(dá)8 kW的光纖激光器
進(jìn)入2000 年之后，通過(guò)光纖提供單模光束質(zhì)量輸出的高功率光纖激光器的發(fā)展，可以說(shuō)是固體激光器技術(shù)領(lǐng)域最重要的一項(xiàng)發(fā)展。
大模場(chǎng)面積、稀土摻雜的大包層直徑雙包層光纖、集成泵浦耦合器的光纖以及高功率激光二極管泵浦源的發(fā)展，無(wú)疑對(duì)光纖激光器的發(fā)展起到了推波助瀾的作用。這種技術(shù)能將高功率光纖激光器模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為“集成的光纖設(shè)計(jì)”，這使得模塊更加簡(jiǎn)單、牢固、高效，非常適合用于“在工業(yè)生產(chǎn)中使用的激光器中”。將這些模塊通過(guò)全光纖組合器組合到一起，能獲得更高的功率，并且能夠提供具有高光束質(zhì)量的多模輸出。
Rofin 于2007 年通過(guò)一系列戰(zhàn)略收購(gòu)?fù)瞥隽斯饫w激光器，如其收購(gòu)了Corelase、Nufern、m2k Laser 和PMB 等專業(yè)公司。激光二極管、活性雙包層大模場(chǎng)面積光纖、光纖泵浦耦合器、高功率光纖組合器和光束傳輸以及電源等組件的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，都是由Rofin 集團(tuán)旗下的這些專業(yè)公司完成的。
隨后，Rofin 提供了與眾不同的單模和多模光纖激光器產(chǎn)品，功率高達(dá)8kW，并具備以下特性：
● 比碟片激光器更簡(jiǎn)單的模塊化設(shè)計(jì)
● 堅(jiān)固耐用，無(wú)需機(jī)械穩(wěn)定性
●光束質(zhì)量適用于不同的應(yīng)用，從單模（0.4 mm•mrad）到多模（40 mm•mrad）
● 高效：光學(xué)轉(zhuǎn)換效率超過(guò)80％，電光轉(zhuǎn)換效率超過(guò)30％。
這些光纖激光器可以作為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的通用加工工具，它們比之前的所有其他激光器顯示出了更廣泛的適用性，因?yàn)槠渚哂袕V泛功率和光束質(zhì)量，以及靈活的光束切換、分束和掃描的可能性。此外，它們的效率、波長(zhǎng)和最小維護(hù)要求，能夠在大量行業(yè)中實(shí)現(xiàn)高度經(jīng)濟(jì)化的加工過(guò)程。
總而言之，工業(yè)激光器獲得成功的一個(gè)重要因素是：從一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室裝置發(fā)展成為一個(gè)在維護(hù)和服務(wù)要求方面獲得工業(yè)領(lǐng)域認(rèn)可的產(chǎn)品。第一臺(tái)工業(yè)激光器的維護(hù)周期約為1000 小時(shí)，維護(hù)工作約需要一周的時(shí)間?？蛻粢呀?jīng)完全接受了這種情況，因?yàn)樗麄冎魂P(guān)心這個(gè)有前途的新工藝——能夠?qū)崿F(xiàn)改進(jìn)的新產(chǎn)品，降低生產(chǎn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)更高的加工質(zhì)量。
在隨后的幾年中，"總擁有成本"和可維護(hù)性等問(wèn)題變得越來(lái)越重要。在CO2 激光器領(lǐng)域中，從橫流激光器到快軸流激光器的發(fā)展，使維護(hù)周期從1000小時(shí)升至2000 小時(shí)，從而降低了維護(hù)工作。隨著擴(kuò)散冷卻板條CO2激光器的發(fā)展，Rofin 能夠提供“具有非常低的服務(wù)和維護(hù)費(fèi)用、維護(hù)周期為3000 小時(shí)、維護(hù)工作僅需6 小時(shí)便可完成的”激光器產(chǎn)品。
在固體激光器領(lǐng)域，從燈泵產(chǎn)品到二極管泵浦的激光器，在服務(wù)和維護(hù)費(fèi)用方面存在很大差別，而最新的光纖激光器技術(shù)又幾乎是免維護(hù)的。
另一個(gè)重要的問(wèn)題是激光源在生產(chǎn)工廠中的可用性。在CO2 激光器領(lǐng)域，從橫流激光器到板條CO2 激光器及現(xiàn)代光纖激光器，可用性顯著增加。如今，激光已經(jīng)被視為一種加工工具，所有要求和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都如同可擴(kuò)展的備件，以24/7 的模式和電子服務(wù)能力服務(wù)全球市場(chǎng)。此外，在所有的戰(zhàn)略市場(chǎng)提供快速的本地化支持，也是獲得業(yè)務(wù)成功的關(guān)鍵。
圖4：七十年代初期的Messer切割系統(tǒng)：激光源傾斜45°。這使得用戶通過(guò)使用一個(gè)相移延遲90°的光束彎曲裝置，在工件上獲得圓偏振光（左圖）。2014年的Messer切割系統(tǒng)：配備4.5 kW CO2板條激光器的大型系統(tǒng)。所有Rofin的CO2激光器發(fā)射與水平面成45°的偏振光束（右圖）。
延伸閱讀，點(diǎn)擊：《激光材料加工的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)(二)》
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