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论激光技术的进步引领先进制造业的变革

走进现代化生产车间,你会看见一台台激光器正无间断成批生产零部件的工业繁荣景象。作为制造行业的新晋技术,激光制造近年来已迅速蹿升为薄钣切割与焊接的主流制造技术,人们甚至寄望未来将激光技术投入到大批量的生产中。

凭借着在可靠性、成本和生产效率等方面的显著优势,激光技术不仅被冠以现代制造的中流砥柱的称号,它也颠覆了传统的制造模式,令“不可能”成为现实。增材制造、自动化机器人以及远程切割和焊接就是十分典型的应用案例。

下面就让我们共同回顾一下工业激光的发展史,以及它是如何奠定如今的行业地位的。

从二氧化碳激光器到二极管激光器

20世纪60年代初期,二氧化碳激光器开始进入人们的视野。当时,二氧化碳激光器主要应用于工业切割和焊接领域,不过碍于采购成本、运营和维护等问题导致它并没有得到广泛使用。另一方面,技术人员得不到专业化的培训也是它没有普及的原因。

随着二氧化碳激光器功率持续增高,到20世纪80年代,他们成为工业领域中应用广泛的高功率激光器。尽管如此,大量损耗气体所带来的高昂成本依然为二氧化碳激光器的生存带来挑战。为了保持设备的稳定运行,替换鼓风机、电极、真空泵以及镜面清洁与校准等维护工作的成本是十分昂贵的。

论激光技术的进步引领先进制造业的变革

图1:由多家制造商提供的纤芯105μm,波长915nm光纤耦合二极管激光器的功率与时间的对比图。从图中可看出激光器的输出功率随时间的推进不断提升。曲线中两个最高的数据点分别对应了恩耐泵浦二极管与恩耐近期展示的315W泵浦二极管(该款产品的输出功率提升了近60%),图片出自参考文献[1]。

Nd:YAG固体激光器在20世纪90年代正式登上工业舞台。取代了镜面反射传输,固体激光器可通过柔性光纤光缆传输激光,从而更易与机器人进行集成。与二氧化碳激光器相比,固体激光器无需损耗气体也能获得与前者相同的生产效率和出色的光束质量,不过它也需要高标准的常规维护。

功率的提升扩大了激光器的应用领域,尤其是在工业焊接方面;同时也正因为功率的提升,固体激光器的光束质量与其他性能因增益介质的热效应影响发生了退化。最终,Nd:YAG固体激光器被半导体激光器所取代。

二极管激光器的电光转换效率高,输出波长吸收也更为充分。然而二极管泵浦固体激光器(DPSS)的光束质量和最大功率却受到增益介质散热问题的制约,同时还要面临污染、标准校准和维护等问题。

20世纪末期,受益于多项光学技术的突破,光纤通信为激光技术带来了重大改进。二极管泵浦的光纤放大器凭借出色稳定的光束质量、高效性、易散热性以及不受污染、环境或光功率等级影响的无校准密闭光路,成为光纤通信取得成功的关键因素。由于激光是从光纤中产出,其光纤耦合的效率也很高。人们对电信的投资无疑推动了二极管激光器的生存和功率增长,但由于通信光纤放大器的普遍功率保持在1瓦以下,所以并不适合于大多数的工业应用。

光纤激光器和碟片激光器崛起

到了21世纪,二极管激光器的功率和性能继续得到提升。图1为波长915nm的二极管激光器耦合进105μm光纤的功率,从图中我们可以看到输出功率在最近几年有明显提高。恩耐作为高功率半导体激光器和光纤激光器的专业供应商,已经在期刊上刊登了315W105μm光纤耦合半导体激光器的介绍。

半导体激光器在光纤、光纤加工方式和光纤相关器件方面的优势已经被成功应用到光纤激光器中,如此一来光纤激光器的功率不仅得到了提升,它在金属焊接、切割等领域也开始广泛应用。从图2中我们可以看到在2004年光纤激光器的输出功率首次达到1千瓦,而2013年更是突破性地达到100千瓦。十余年的时间,光纤激光器当之无愧地成为激光行业发展最快的产品,并且正在取代其他类型的激光和非激光技术,如电弧焊接、等离子切割等。

论激光技术的进步引领先进制造业的变革

图2:图为光纤激光器输出功率与时间的对比图,数据出自激光器制造商与研究实验室。图中蓝点表示单模光纤激光器(最佳光束质量与最高亮度),红点表示多模光纤激光器(光束质量较低)。

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