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千瓦级光纤激光器技术已趋于成熟

 导读:光纤激光器有许多类型,包括低功率连续(CW)激光器、低能量和高能量脉冲激光器,这其中又包括超快光纤激光器。

   光纤激光器将主动(激光增益)光纤与一个或多个泵浦激光器(通常是激光二极管)结合在一起。光纤激光器有许多类型,包括低功率连续(CW)激光器、低能量和高能量脉冲激光器,这其中又包括超快光纤激光器。但是提起光纤激光器,也许很多人想到只是千瓦级连续光纤激光器,这类光纤激光器主要用于材料加工,包括切割、焊接、钎接、表面处理及其他诸多应用,并且光纤激光器正研究用于军事领域作为定向能武器。
  光纤本质上是一种非常细的长棒,这种构造使其成为两种具有特别高的表面积与体积比的激光器中的一种(另一种是碟片激光器——宽的、极短的棒),这类激光器更容易保持冷却。光纤激光器的结构相对比较简单,易于维护;而且这类激光器体积紧凑,并且由于采用激光二极管泵浦,坚固且寿命长。
  大范围的功率和波长
  IPG Photonics公司市场开发经理Alexei Markevitch概述了千瓦级光纤激光器的波长和功率范围。“IPG公司生产波长为1μm(掺镱光纤)和1.5μm(掺铒光纤)的标准千瓦级CW激光器,同时也生产波长为2μm(掺铥光纤)的定制千瓦级光纤激光器,以及通过拉曼频移实现的波长在1.1~1.7μm之间的激光器。”他说道,“较长的波长使得非金属材料加工和其他新应用成为可能,并且被认为是人眼安全的,因为这些波长处的人眼损伤阈值比在1μm波长处高出很多数量级。”
  Markevitch指出千瓦级光纤激光系统工作在CW或高达5kHz的调制模式下,并具有从10%到全功率、且光束发散或光束轮廓无变化的动态范围。
  Markevitch介绍说,在1μm波段,IPG公司的单模YLS-SM掺镱光纤激光器能提供1~10kW的功率范围。这些单模系统用于那些需要极高功率和极高亮度的先进材料加工应用中,例如精细切割和表面结构化、高反射率金属的切割、微焊接、烧结和雕刻,以及远程加工和定向能应用。
  “IPG公司的多模YLS掺镱CW光纤激光器,提供1~100kW的功率范围,甚至可以根据客户要求定制高达数百千瓦的激光器。”Markevitch表示,“它们具有许多用途,包括切割、钻孔、钎接、焊接、退火、热处理和熔覆。随着设计的不断完善,标准工业YLS系统的电光转换效率现在已经达到了超过40%,业界记录的YLS- ECO系列的电光转换效率超过50%。”
  相同的多模YLS激光器用于高、低亮度的应用,例如焊接、钻孔和精密切割——“这是一种前所未闻的能力。”Markevitch说道,“高亮度允许使用长焦加工透镜,用于大大改进场深,并将对光学元件的损伤降到最低。”
  虽然高亮度多模激光器在材料加工应用领域占据主导地位,但是单模千瓦级CW激光器正在赢得越来越多的关注,因为它们可以使那些需要高CW峰值功率、极小光斑尺寸、和/或远程加工能力的新应用成为可能。Markevitch所描述的YLS-SM激光器的一些应用,包括用于筛选和过滤的不锈金属的高速切割、阳极和阴极电池箔的远程切削、铜(Cu)和铝(Al)箔的远程和气体辅助高速切削,以及最小畸变薄金属的大高宽比窄焊接。
  Markevitch强调的千瓦级CW单模激光器应用的一项特定案例,是在汽车工业中的铸铁和铝发动机的微结构加工。环境法规对更低能耗、以及减少污染和二氧化碳排放量的要求,需要更薄、更轻的发动机。一种具有减薄壁厚的马达模块的新型设计,辅以激光材料加工,使得每个气缸可减少1公斤的重量。
  为了获得更高的机械阻力并优化热传导,气缸周围喷有较薄的等离子体涂层(见图1)。在实施熔覆加工之前,气缸表面加工有微结构槽,微结构的典型特征尺寸为100μm或者更小。

     

 图1:采用IPG公司的2kW单模光纤激光器为汽车发动机加工的孔的圆筒形表面,然后采用等离子喷涂产生硬涂覆,取代传统的气缸套。激光加工微槽有助于涂覆粘附到气缸上。
  以往这种表面结构化都采用机械或水射流加工。这些传统技术有种种弊端。例如,机械加工效率较低,只能垂直于表面进行,且处理不同零件和槽尺寸时需要更换工具。水射流具有非常高的功耗(每个喷嘴120kW),以及较大的耗水量(水受铝污染),在铝中产生海绵效应,需要在真空腔内干燥,并且只能在铝零件上完成。
  “额定功率为2kW的单模YLS-2000-SM激光器,可以加工铁(Fe)和铝(Al)零件,易于适应处理不同直径且具有不同深度(深达30μm)的槽的零件,最大功耗为5.5kW。”Markevitch解释道,“还可以实现不同的凹槽角度。槽的质量和生产率相比传统技术均大大改善。”
  模块化设计
  美国Lumentum公司激光器产品与技术高级主管Erik Zucker,描述了该公司的Corelight千瓦级CW光纤激光器产品线的模块化特点和内部运作。“我们的基本构建模块是一个输出功率超过2kW的双包层光纤、单振荡器模块,”他解释说,“可以将几个这种模块组合在一起,通过单光束提供明显更高的功率。我们的光纤激光器主要用于2D金属板切割,包括低碳钢、不锈钢、铝、铜和黄铜等多种材料。它们也可以用于金属焊接、钎焊和熔覆应用。”
  2kW光纤激光器模块由单光纤振荡器构成;该单光纤振荡器构成通过Lumentum公司的ST系列高亮度、光纤耦合激光二极管阵列进行端面泵浦,Zucker表示该泵浦激光器也是由他们公司自己设计和制造的(见图2)。

       

图3:罗芬公司基于扫描头的光纤激光器正在进行汽车零部件焊接。

   Rath表示,这些高功率光纤激光器是宏观应用分支中金属激光切割和焊接的标准工具(见图3)。标准的切割系统通常配备紧凑的光纤激光器,根据切割系统的功率和板材厚度,配备芯径为50μm或100μm的直接加工光纤。“汽车部件焊接在几个工作站内频繁实现,几个工作站通过不同的、可长达100m的光缆与激光器相连接。” Rath解释道,“这样的设置有助于减少周期时间,优化激光的利用。例如,当激光器在B工作站处焊接第二个工件时,A工作站内可以装配并夹持零件。”
  由于通过选择光纤尺寸可以使光纤激光器与应用相匹配,因此相同的激光器可以用于不同的操作。例如,制造一种汽车零件采用三种不同的激光加工方法在三个工作单元内顺序执行:去除涂层(采用高光束质量和集成扫描头加工实现)、切割孔径以获得完美匹配,以及焊接工序。
  背反射隔离
  在高度反射的材料上进行操作的千瓦级工业光纤激光器,面临背反射的问题。从工件上激光光学元件聚焦区域反射的光,通过激光系统后向传输。“由于工件表面的不规整性,缺乏与表面法线的精确对准,以及加工元件有限的收集角,典型的背反射仅为激光功率的一小部分;此外,在许多情况下,背反射的持续时间短(例如穿孔)。”美国nLIGHT公司总经理Jake Bell说,“然而,一些光纤激光器的设计使得加工反射材料变得困难或者不可能。”
  nLIGHT公司生产一系列材料加工光纤激光器,输出功率范围500W~4kW。在其他特性中,nLIGHT公司的alta系列具有独特的配置,以最小化背反射。“背反射所造成的损伤通常是由于光学功率沉积到聚合物材料中,由于过热而烧坏的结果。”Bell说,“nLIGHT公司的alta将耦合进传输光纤中的背反射光剥离,并将其引导到水冷光束收集器,在该处激光被转换成热而不与聚合物有任何相互作用,从而消除了主要损伤机理。该无聚合物隔离器设计成可持续收集超过500W的光(见图4)。”

    

   图4:nLIGHT alta设计成在激光器和传输光纤之间具有背反射隔离器(a)。直接背反射进光纤大于500W的连续激光稳定性数千小时的压力测试,显示没有不稳定运行的指征(b)。
  Bell表示:“我们评估了穿孔时隔离系统的性能,在这种激光切割下产生最高的背反射信号。该测试成功处理了铜的连续4000次穿孔,没有中断或故障的穿孔。与由我们的背反射隔离器提供的可靠的、基于硬件的保护相反,一些其他的光纤激光器利用软件保护在背反射的情况下禁止激光;这种方法可能保护激光器,但它妨碍成功和连续的材料处理。”
  Bell指出,收集在隔离器中的背反射光,用光电二极管监测。该传感器的实时输出提供给用户,用于在过程监控、优化和控制(例如穿孔检测)中使用,或者是工具校准(如光束位置和焦点)。
  Bell概括的nLIGHT alta激光器的其他特质包括改进的切割和焊接性能,这些激光器可以提供高达100kHz的调制率,以及低于5μs的上升和下降时间。这些功能允许更快的穿孔,精细特征更快的处理速度,并通过最小的热影响区实现更好的加工质量。
  “大多数数千瓦级光纤激光器系统采用对基于多个低功率光纤激光器的输出合束的架构,导致成本、性能、可维护性、可升级性以及对技术进步的顺应性方面的显著缺点。”Bell补充道,“我们介绍一种新颖的千瓦光纤激光器架构,通过将泵浦二极管和驱动器安放在单独的泵浦模块中,以及将增益光纤安放在可配置的增益模块中,解决了这些问题,可以产生超过4kW的输出功率。”
  这些激光器具有可调整的光束质量(BPP≥1.1mm-mrad),已经应用于低碳钢、硼钢、不锈钢、铝、黄铜和铜的高质量切割和焊接,并且也已经在新兴的应用,包括增材制造、表面纹理化和雕刻中得以使用。
  快速组件更换或升级
  根据美国相干公司材料加工市场总监Frank Gaebler的描述,第一代光纤激光器直接基于电信平台大规模扩展到更高功率,它们采用大量的单独泵浦激光二极管,每个都采用独立光纤耦合,并永久熔接在一起。
  “这种获得更高功率的方法有几个限制。”他说,“特别是所有部件被永久熔接在一起。如果一个组件出现故障或退化,就没有办法进行更换。例如,早期的产品对来自于金属加工的背反射非常敏感。如果光纤熔接、泵浦二极管、传输光纤,或任何其它激光器组件由于这种背反射损坏,必须将激光器拿到工厂修理或更换,这将影响正常运行时间和生产效率。
  相干公司制造了基于灵活的模块化架构的第二代千瓦级光纤平台(Highlight FL)(见图5)。相干公司的工程师们使用实质上不同的设计方法,消除了多个泵浦和熔接的复杂性,具备模块化架构,还允许简单替换和/或升级各种组件,包括传输光纤。

   

  图5:相干公司Highlight FL光纤激光器可以结合机器人使用,使白色家电(洗衣机、厨灶等)行业的高速3D零件切削成为可能。
  “我们使用光纤耦合高功率激光二极管巴条,而不是多个独立的激光二极管,” Gaebler说,“然后它们的输出采用自由空间耦合进入增益光纤;这种耦合模块也可用于将增益光纤连接到可拆卸的传输光纤。”他补充说,这样的做法对OEM系统集成商特别具有吸引力,因为他们可以根据专业知识水平或者深度集成的要求,购买完整的激光器或单独的模块,并且可以迅速改变或更换传输光纤以适应不同的应用。
  在规格方面,目前相干公司的Highlight FL光纤激光器瞄准大功率的稳定增长,Gaebler介绍说,最新型号可提供3kW的功率,并有望在2016年增加到4kW。“目前,我们的传输光纤模块提供100μm纤芯,其对应的BPP约为4mm·mrad。”他说,“对于某些型号,最近已可以提供50μm纤芯的传输光纤,BPP可以降低高达两倍。由于具有高功率和低BPP,这些HighLight FL激光器非常适合用于处理厚度从薄箔到几毫米的金属。”
  Gaebler指出,早期的光纤激光器有时受困于切割、钻孔和焊接某些金属。例如,光纤激光器的基频输出波长通常在1μm附近。在该波长区域,黄铜和铜表现出非常高的反射率,铜镜广泛用于各类近红外激光器的光束传输就是证明。背向反射已经使这些金属成为第一代光纤激光器加工的显著挑战。

    

   图6:不受背向反射的影响,使得某些高反射金属材料的切割成为可能。横截面视图显示了用相干的Highlight FL激光器切割1.25mm厚的黄铜(a)和1.2mm的铜(b)。
  根据Gaebler的描述,不同于第一代光纤激光器,Highlight FL激光器架构不受背向反射损伤的影响有两大原因:1)二向色光束合束器的几何形状和光学性质,意味着任何背向反射不能到达泵浦二极管巴条;2)不存在光纤熔接,从而不会被任何背向反射损伤。其结果是该激光器不受“对反射性金属需格外小心加工”这一因素的限制(见图6)。

   

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