走進現(xiàn)代化生產(chǎn)車間，你會看見一臺臺激光器正無間斷成批生產(chǎn)零部件的工業(yè)繁榮景象。作為制造行業(yè)的新晉技術(shù)，激光制造近年來已迅速躥升為薄鈑切割與焊接的主流制造技術(shù)，人們甚至寄望未來將激光技術(shù)投入到大批量的生產(chǎn)中。
憑借著在可靠性、成本和生產(chǎn)效率等方面的顯著優(yōu)勢，激光技術(shù)不僅被冠以現(xiàn)代制造的中流砥柱的稱號，它也顛覆了傳統(tǒng)的制造模式，令“不可能”成為現(xiàn)實。增材制造、自動化機器人以及遠程切割和焊接就是十分典型的應用案例。
下面就讓我們共同回顧一下工業(yè)激光的發(fā)展史，以及它是如何奠定如今的行業(yè)地位的。
從二氧化碳激光器到二極管激光器
20世紀60年代初期，二氧化碳激光器開始進入人們的視野。當時，二氧化碳激光器主要應用于工業(yè)切割和焊接領(lǐng)域，不過礙于采購成本、運營和維護等問題導致它并沒有得到廣泛使用。另一方面，技術(shù)人員得不到專業(yè)化的培訓也是它沒有普及的原因。
隨著二氧化碳激光器功率持續(xù)增高，到20世紀80年代，他們成為工業(yè)領(lǐng)域中應用廣泛的高功率激光器。盡管如此，大量損耗氣體所帶來的高昂成本依然為二氧化碳激光器的生存帶來挑戰(zhàn)。為了保持設(shè)備的穩(wěn)定運行，替換鼓風機、電極、真空泵以及鏡面清潔與校準等維護工作的成本是十分昂貴的。
圖1：由多家制造商提供的纖芯105μm，波長915nm光纖耦合二極管激光器的功率與時間的對比圖。從圖中可看出激光器的輸出功率隨時間的推進不斷提升。曲線中兩個最高的數(shù)據(jù)點分別對應了恩耐泵浦二極管與恩耐近期展示的315W泵浦二極管(該款產(chǎn)品的輸出功率提升了近60%)。
Nd：YAG固體激光器在20世紀90年代正式登上工業(yè)舞臺。取代了鏡面反射傳輸，固體激光器可通過柔性光纖光纜傳輸激光，從而更易與機器人進行集成。與二氧化碳激光器相比，固體激光器無需損耗氣體也能獲得與前者相同的生產(chǎn)效率和出色的光束質(zhì)量，不過它也需要高標準的常規(guī)維護。
功率的提升擴大了激光器的應用領(lǐng)域，尤其是在工業(yè)焊接方面;同時也正因為功率的提升，固體激光器的光束質(zhì)量與其他性能因增益介質(zhì)的熱效應影響發(fā)生了退化。最終，Nd：YAG固體激光器被半導體激光器所取代。
二極管激光器的電光轉(zhuǎn)換效率高，輸出波長吸收也更為充分。然而二極管泵浦固體激光器(DPSS)的光束質(zhì)量和最大功率卻受到增益介質(zhì)散熱問題的制約，同時還要面臨污染、標準校準和維護等問題。
20世紀末期，受益于多項光學技術(shù)的突破，光纖通信為激光技術(shù)帶來了重大改進。二極管泵浦的光纖放大器憑借出色穩(wěn)定的光束質(zhì)量、高效性、易散熱性以及不受污染、環(huán)境或光功率等級影響的無校準密閉光路，成為光纖通信取得成功的關(guān)鍵因素。由于激光是從光纖中產(chǎn)出，其光纖耦合的效率也很高。人們對電信的投資無疑推動了二極管激光器的生存和功率增長，但由于通信光纖放大器的普遍功率保持在1瓦以下，所以并不適合于大多數(shù)的工業(yè)應用。
光纖激光器和碟片激光器崛起
到了21世紀，二極管激光器的功率和性能繼續(xù)得到提升。圖1為波長915nm的二極管激光器耦合進105μm光纖的功率，從圖中我們可以看到輸出功率在最近幾年有明顯提高。恩耐作為高功率半導體激光器和光纖激光器的專業(yè)供應商，已經(jīng)在期刊上刊登了315W105μm光纖耦合半導體激光器的介紹。
半導體激光器在光纖、光纖加工方式和光纖相關(guān)器件方面的優(yōu)勢已經(jīng)被成功應用到光纖激光器中，如此一來光纖激光器的功率不僅得到了提升，它在金屬焊接、切割等領(lǐng)域也開始廣泛應用。從圖2中我們可以看到在2004年光纖激光器的輸出功率首次達到1千瓦，而2013年更是突破性地達到100千瓦。十余年的時間，光纖激光器當之無愧地成為激光行業(yè)發(fā)展最快的產(chǎn)品，并且正在取代其他類型的激光和非激光技術(shù)，如電弧焊接、等離子切割等。
圖2：圖為光纖激光器輸出功率與時間的對比圖，數(shù)據(jù)出自激光器制造商與研究實驗室。圖中藍點表示單模光纖激光器(最佳光束質(zhì)量與最高亮度)，紅點表示多模光纖激光器(光束質(zhì)量較低)。
同樣得益于二極管泵浦激光器的發(fā)展，碟片激光器卻采用了截然不同的散熱方式。它不是以光纖作為增益介質(zhì)，而是將其轉(zhuǎn)化為一張薄碟片，從而使輸出功率擴展到千瓦級。不過，與光纖激光器相比，碟片激光器無論是在生產(chǎn)效率還是光束質(zhì)量上都沒有優(yōu)勢，且其光路也需要更多空間。
表1：不同激光器的對比總結(jié)[5-8]
二極管激光器在功率提升后已然能夠滿足部分工業(yè)需要。未來碟片激光器、直接半導體激光器和光纖激光器的功率仍將越來越高。憑借更小的光斑尺寸和更高的光功率密度，光纖激光器和碟片激光器仍會擁有最高的亮度。憑借這一點它們也將成為工業(yè)應用中最受歡迎的激光器產(chǎn)品。
不同激光器的應用與技術(shù)對比
激光技術(shù)的發(fā)展改變了制造業(yè)的格局，如今的制造商面臨著來自生產(chǎn)效率、精度和價格的壓力，這些壓力正推動制造業(yè)往更加自動化的方向發(fā)展。換句話說，激光器將更加適用于制造業(yè)，也更為制造業(yè)所需要。目前在工業(yè)加工領(lǐng)域使用最為廣泛的激光器主要包含光纖激光器、二氧化碳激光器、半導體激光器和碟片激光器。
金屬切割是激光器如今最常見的應用領(lǐng)域。自21世紀初以來，光纖激光器已在整個行業(yè)占據(jù)中心且絕對主導的地位。其快速的切割速度和低維護與運營成本使元器件成本降低。光纖激光器所擁有的高亮度與高光束質(zhì)量的優(yōu)勢，使其比半導體激光器、碟片激光器或二氧化碳激光器更加快速地切割薄鈑。盡管二氧化碳激光器也能切割出擁有出色端面質(zhì)量的厚鈑，但是這一優(yōu)勢很快就被光纖激光器和碟片激光器所代替和超越。
圖3：左圖為4千瓦光纖激光器切割碳鋼的速度與厚度對比，以實心圓點與實線表示;右圖為4千瓦二氧化碳激光器切割不銹鋼和鋁材的速度與厚度對比，以空心圓點與虛線表示。MS代表碳鋼，SS代表不銹鋼，Al代表鋁。
圖3為4千瓦光纖激光器和二氧化碳激光器的切割速度對比。其中以下幾點值得強調(diào)：
◆光纖激光器切割所有樣品都比二氧化碳激光器更快。
◆使用氧氣切割碳鋼的速度比使用氮氣慢10%左右，而氮氣在切割所有金屬時都有良好的表現(xiàn)(在切割薄鈑時，氮氣的切割速度可達到氧氣的6倍)。
◆使用氧氣可增加切割碳鋼的厚度。
光纖激光器出色的光傳輸、光束質(zhì)量、成本優(yōu)勢和廣泛的適用范圍，使得它成功替代了電子束系統(tǒng)和二氧化碳激光器進入高能量密度焊接領(lǐng)域并占據(jù)了優(yōu)勢地位。
二氧化碳激光器無法加工高反金屬的原因，是其輸出波長(10μm)無法很好地與材料匹配。而光纖激光器的波長為1μm，材料對該波段有較高的光吸收性，但光纖激光器還是會受到部分反射光的損害，這一缺點限制了光纖激光器處理銅或其他高反材料的能力。恩耐的光纖激光器擁有真正獨到的抗高反技術(shù)，已廣泛應用于銅、金、黃銅、銀和鋁材的焊接和切割中[9]。電動汽車的鋰電池制造是光纖激光器的另一大應用領(lǐng)域，光纖激光器的進入不僅為鋰電池制造行業(yè)帶來了成本節(jié)省，也提高了其設(shè)計靈活性和更穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。
對于加熱、熔覆、硬焊等無需極高光束亮度的應用領(lǐng)域，半導體激光器成為了它們的理想選擇。如果使用光纖激光器和碟片激光器，更大光纖發(fā)出的光束或者光束整形光學器件將導致高亮度光束的分解。盡管這使得這些光源的適用性更強，但對前文提到的應用領(lǐng)域來說，半導體激光器(直接從二極管條或光纖傳輸)的適用程度要更高。
金屬3D打印，也稱為增材制造，其主要制造工具為粉末堆積工具。工具制造商們?nèi)缃裾趯で蟾玫墓馐|(zhì)量、更精確的功率控制和更快的調(diào)制速度，以實現(xiàn)更完美的材料特性與更好的表面光滑度。目前唯一可以在增材制造中實現(xiàn)以上幾點要求的只有光纖激光器。光纖激光器和半導體管激光器也可適用于送粉式增材制造，被稱為激光沉積技術(shù)。
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