光纤激光器不会取代二氧化碳激光器

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1、光纤激光器不会取代二氧化碳激光器-当光纤和盘形激光器能够以更低廉的成本来达到更高功率的时候，询问： 基于二氧化碳的激光技术还能有生存空间吗？在工业上，当人们选择应用工具的时候，物美价廉的设备往往能够胜出。在 低功率层面上，切割细节、焊接薄材料以及适合使用光纤传输，传统上的最佳选 择是固体激光器：比如说Nd:YAG晶体或是相类似的。在高功率上，二氧化碳激 光器在单位功率上的成本是最低的。二氧化碳激光器包含一个内含混合气体(CO2, N2, He, H2或者Xe)的腔体、 在腔体两端有一个出光镜和反射镜。激光器通过气体放电泵浦，放电的过程可由 交流电驱动，或者在射频领域由直流实现。二氧化碳激光器的

2、能量转换效率能达 到 20% 。改变现状直到上世纪九十年代中期的状况是：在小规模材料加工应用上使用灯泵浦的 固体激光器，二氧化碳激光器被当作经济型高功率光源。光纤激光器的研发者承 诺为材料加工型激光器革新市场，理由是其得到改善的整体功率效率、高亮度以 及激光束通过光纤传输的特性。光纤激光器的高亮度意味着很容易能够把能量聚 焦在尖锐的一点上。光纤激光器是固体激光器的一种。像YAG激光一样，光纤激 光器产生的激光波长大约是lMm(1064nm).在光纤激光器的研发开展起来的同时，更大的激光器生产厂商 Trumpf 和 Rofin 生产的盘形激光器可以达到相似的高功率表现和效率。盘式激光器也能够 通

3、过光纤耦合来实现激光束的传输。 Jens Bleher， Trumpf 激光技术部的管理执 行官，相信盘式激光器是要求高光束质量的多千瓦级应用的正确选择，就像遥控 切割或者深且窄的切割。当谐振介质维持在远低于其击穿阈值的功率密度时，盘 式激光器与光纤激光器相比对反射不那么敏感。因为这个原因， Bleher 认为在 某些应用领域盘式激光器比光纤激光器更有效率。正在持续发展的可靠高功率激光二极管也瓜分了一部分二氧化碳激光器的 市场份额。首先，高可靠性的二极管作为泵浦源是盘式激光器、光纤激光器和其 他半导体泵浦激光器的重要组成部分；另外，随着从二极管自身获取的亮度和光 束质量得以持续改善，直接二极管

4、激光器开始应用在一些中功率领域取代二氧化 碳激光器，比如说塑料制品切割以及热处理等。厚边上的壁龛在材料处理上，切割应用要求最高功率和最佳光束质量的结合。光纤和盘式 激光器能够从一个很小的孔径散发很大的功率。所以它们能产生很高的亮度。高 亮度首先看起来使光纤激光器能够成为切割工艺的正确选择，并且在很多应用上 它们确实能够占领很大一部分二氧化碳激光器的市场份额，但是因为一些基本的 原因导致仍然有很大一部分的应用领域是光纤激光器无法涉足的。John Powell 博士是英国一位资深的工业激光领域专家，他解释说高功率激 光加工绝大部分市场份额是切割应用，其中最多的是切割3-15mm厚度的钢材。材料加工

5、的关键点是激光使用和基板加工之间的吸收特征。金属吸收光纤激 光器产生的1财波长的激光比吸收10.6卩m波长的激光更加有效，所以人们认 为在切割工艺上用这种波长的激光更加有效。但是，在基本的吸收特征之外，许 多其他因素也在起作用。第一个因素和布鲁斯特角有关，也称之为起偏角。这是一个给定材料表面对 某一入射光束偏振的最佳吸收的角度，此时有最小的反射。当使用激光器切割时， 我们可以认为这个角度相当于一个切割表面上特定的斜坡，在斜坡上聚集了吸入 板材的最大激光能量。这个角度随着切割的激光波长和涉及的材料改变。当使用二氧化碳激光器产生的10.6卩m波长激光时，布鲁斯特角大约是87, 接近于垂直了。但当使

6、用1Um波长激光时，布鲁斯特角相对于垂直为78。在 高速切割时，切面的斜坡在这样的角度下降会比较稳定，具体地说，当切割金属 的厚板时，切割的前沿能超过入射光的尺寸。切割前端的几何形状、布鲁斯特角和lum激光的聚焦光束意味着光以一种随 机和杂乱的方式削减了切割效果。并且当金属厚度超过2-3mm时，这导致切割 的不平整。相反，在同样的几何条件下用10.6卩m的二氧化碳激光可以平整切割 厚度达 25-30mm 的钢材。另外一个倾向于使用二氧化碳激光器的因素是亮度。当快速切割薄的样品时 亮度其作用时，但在切割厚的样品时，非常高的功率密度会使切割部位的材料未 融化完之前先蒸发了。正如Powell博士所阐

7、述的那样，这不是一个有效的处理 工艺。他说：“如果你想把一块负载的蜡从A点移到B,如果是融化它，就不需 要费太大力气；但如果你要让它沸腾那就需要整天的时间了。因为切割不需要产 生蒸汽，只需要一个槽。我们只要把槽里的液体倾倒出来即可。这是一个（比产 生蒸汽）更加有效的办法，因为最终停留在液态不需要消耗太多能量，而让材料 气化的耗能是非常可怕的。这就相当于你已经完成了切割的工艺然后再消耗更多 的能量把切割损耗的材料再变成蒸汽。正因为如此，甚至使用一台二氧化碳激光器把激光束聚焦在一个过于微小的 点是不可取的，因为移除金属最有效的方式是融化的同时将气化控制在最小。甚 至二氧化碳激光器产生的激光束有时要

8、失焦（二氧化碳激光器聚焦的质量相对于 光纤激光器要差一些）来达到好的切割质量。 Powell 博士说：“人们不会去把 二氧化碳激光束聚在一个很小的点上，因为我们需要足够的长度让空气进去吹走 切割时产生的液体。因此，人们无需去气化任何东西。”这个关于沸腾的考虑特 别是与切割金属相关，因此用较高功率二氧化碳激光切割更厚金属成为了行业标 准。这也许是Trumpf最近声明的最好总结了 ：“二氧化碳激光器能不损失任何 边角质量穿过平板，甚至厚度达到25-30mm。平板越厚，二氧化碳激光器与固 体激光器的对比结果就越快越好。”二氧化碳激光器在更低功率10-500W的应用仍然保持高增长。一部分是由 于与固体

9、激光器相比其单位功率的成本更低，另一部分是由于106师波长二氧 化碳激光的多样性。106阪波长的激光能够很容易被非金属诸如玻璃、陶瓷、 高聚物和木头纸张等有机物吸收。多千瓦级大功率二氧化碳激光器让气体快速通过冷却装置。相比之下，密闭 式二氧化碳激光器通过强制风冷或水冷来驱散多余的热量。这项技术很成熟，而 且最近有了更新的发展。Synrad公司说：“射频激励二氧化碳激光器正在向更 小型和更有效率方向发展。此外在工艺上也在使用成本更低的材料比如说高功率 晶体管等。”更小型的密闭式二氧化碳激光器被卖给生产绘图仪式切割和雕刻系统设备 的 OEM 厂商。这些成本低的设备多由所谓的夫妻店型企业使用，用作切

10、割木制品 或高聚物等固态激光器无法切割的材料。密闭式二氧化碳激光器的另一个主要市 场是高速打标，比如说在盒子上打生产日期。这种方法比传统的喷墨打印系统更 干净、更安全、更便宜。用作替代密闭式二氧化碳激光器的固态激光器目前成本很高。 Broadhead 相信光纤或是盘式激光器因为成本过高不会适合200W以下级别的应用，但是 他也相信光纤激光器也许会在200W以上级别的应用中由于高效率和相应的低 运行成本而提供合适性价比的替代产品。得益于小型化的优势，封闭式二氧化碳激光器比起等效的横流式二氧化碳激 光器有着更好的性能特点。Cohere nt公司的Diam ond E系列封闭式二氧化碳激 光器可以达

11、到 1kW 的连续输出功率。他们声称其光亮度可以达到 2kW 的横流式 二氧化碳激光器的水平，而且初始成本更低、可靠性更强、效率更高。 Stewart Woods, Cohere nt的材料加工市场经理，基于自己的实际经验阐述到:“在2-4mm 厚度范围中，材料的吸收性能不再是切割速度的首位要素。光纤激光器和封闭式 二氧化碳激光器在同样的功率下能提供本质相同的处理速度。”他相信密闭式二 氧化碳激光器由于近来技术上的优势更具有吸引力，比如说它能够直接安装到机 械臂上，来消除对光纤传输的需要。他总结说：“封闭式二氧化碳激光器相对于 光纤激光器来说在许多对成本敏感的领域里是一种需求不断增长的选择，特

12、别是 在一些金属和有机物同时要被处理的情况。”将来会是什么样子呢？当我们把切割作为高功率激光器的首要应用，我们可以根据材料的厚度来对 不同类型的任务进行分类。对于厚度低于2mm的材料，光纤激光器切割金属速 度高、质量好，高光束质量能使间距切割成为可能。在用到非金属材料加工的领 域，或者当用光纤激光器成本过高时，密闭式二氧化碳激光器就成为很有吸引力 的选项。在2-4mm的范围内，光纤激光器总体说来仍能达到好的切割质量和速 度，而二氧化碳激光器仍然是一个更经济的选择，并且特别适合于切割非金属。 光纤和固态激光器在这个范围内有很好的市场份额，但是封闭式二氧化碳激光器 凭借前文提到的优势赢回了一些领域

13、的市场。4-6mm 的范围光纤激光器相对于横流式二氧化碳激光器具有优势。光纤激 光器操作成本低、维修停机时间短，但是初始成本高。二氧化碳激光器对金属和 非金属的切割质量都更好，但是效率要低一些、维修停机时间长、光束传输复杂。 尽管昂贵，光纤和盘式激光器在这个厚度范围抢走了二氧化碳激光器的市场份 额，但是波长的局限意味着当厚度或材料多样化的时候它们便不那么适合了。当厚度大于 6mm 时，无论切割那种材料，横流式二氧化碳激光器都是最有 吸引力的选项。当二氧化碳激光器和光纤/盘式激光器两者都能够产生必要的高 原始功率来切割这样的厚度时，二氧化碳激光器产生的波长能够更干净的完成切 割。此外，固体激光器的亮度不再是一种优势，因为需要防止材料沸腾，并且需 要足够的切口宽度由空气吹走融化的金属。因此二氧化碳激光器的未来暂时看起来是稳定的。Trumpf高级管理层的一 个观点反映了这个说法：“我们目前不认为短期内会有颠覆性的技术出现。不 同的激光技术仍将继续用在广泛的领域上。材料处理上宽的多样化应用显示了 没有一种所谓最佳的激光器能够包打天下。”