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光纤激光器 - 雕琢未来工业的利器
作者:杰普特电子
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激光器展厅
半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ...
激光的出现和应用被称为人类使用工具的第三次飞跃。纵观科技发展的历史,能源获取方式不断更新,促进了科技文明等级的不断提高。从燃烧木柴得到火源,到开发各种化石燃料获得机械动能,直至依靠核能、元素衰变获取能源,输出电力,我们一直在探索和开发能量利用和储备的新途径。激光,作为全新的能量利用方式,被誉为“最快的刀”和“最准的尺”。大家也公认激光加工是“未来制造系统的共同加工手段”。与机械加工相比,激光加工面对的对象非常广泛,几乎没有任何行业限制;过程完全可以采取非接触的方式展开,符合新经济工厂微型化的大趋势;产生的能耗极低,环保效益极高;加工速度快,可以同自动控制、智能生产完美结合。

激光器从诞生到现在,不过短短半个世纪时间。而激光技术确如人们所期,渗入了各行各业。不论是通信、测量、医学、印刷,还是制造业、军事、娱乐业、科研……并且,可以毫不夸张地说,在某些领域,它已成为不可替代的核心技术。例如,通讯领域中的光缆通讯,军事中的制导、测距,计量中的长度基准,娱乐业中的信息存储等。另一方面,激光器并不那么“好用”——效率低,例如灯泵浦固体激光器(泵浦源自英文“pump”,意为“抽取”,形容能量受到激励,从低到高流动)的效率只有2%、故障多、稳定性差、体积庞大、使用成本高。

光纤激光技术的成熟使得大功率光纤激光器从实验室真正进入大规模工业应用的时代。早在上世纪60年代,美国科学家梅曼就成功制造出了首台激光器,使激光正式步入实际应用的工业时代。长期以来,普通激光器的功率、效率以及性能难以得到大幅提升。在能源日益短缺的时代,大功率光纤激光器较高的电光转换效率使其可以大幅度减少能耗,在节约资源等方面做出越来越多的贡献。光纤激光器已经或正在许多应用领域替代化学、气体和普通固体激光器,对激光器市场产生了革命性的改变,也是未来激光器发展的必然趋势,是“激光产业的新宠儿”,被誉为“第三代激光器”,具有广阔的应用前景。

2015年,全球激光器产品(不含激光器系统)市场容量预期可达100亿美金。其中,光纤激光器目前所占市场份额并不高,还不到工业用激光器的15%(2008年光纤激光器所占比例为7%),但增长迅猛。据美国权威杂志《工业激光解决方案》(Industrial Laser Solution)预测,其持续几年的增长率都将在25%以上,到2025年有望占到整个工业用激光器市场份额的50%以上。未来“光加工”必将成为高端制造业的核心,光纤激光在微纳加工领域必将扮演越来越重要的角色。

目前,节能环保、新能源利用是全球的主旋律。在这种大环境下,激光器技术如何走出环保节能的绿色之路,也是世界上所有激光专家所面临的现实课题。其中,被称为“第三代激光器”的光纤激光器脱颖而出,特别是掺杂各类稀土的光纤激光器,在光纤通信、光纤传感、激光材料处理等领域获得了广泛的应用,成为最受关注的新兴技术。与传统各类激光器(包括气体激光器、半导体泵浦固体激光器和灯泵浦固体激光器等)相比,光纤激光器的优点非常突出,具体包括:

节能省电,低制冷,环保效益高

高功率光纤激光器电光转换效率高,整机系统的效率可达30%,其效率是灯泵浦固体激光器的15倍,二氧化碳气体激光器的6倍,半导体泵浦固体激光器的2倍。在激光精密加工行业,2008年全国激光系统销售量约为2万套,其中高功率光纤激光器占10%。以每台激光器平均功耗500瓦,开机率50%计算,2008年全年销售的各类激光器的一年总用电量约为4千3百万度电。如果高功率光纤激光器占有率增加到50%,那么一年销售的光纤激光器在全年耗电量方面直接节约工业用电约2千万度电。这几乎等同于中国2009年在甘肃敦煌西部招标筹建的全国最大的太阳能发电站一年的发电量,该太阳能电站规模10兆瓦,总投资超过5亿元。中国目前工业用激光加工系统有超过20万套,如果半数(主要是灯泵或者半导体泵浦固体激光器)替代为高功率光纤激光器,那么所能节约的耗电量更是惊人。

传统激光器中增益介质通常情况下必须采用水制冷,一方面是保护增益介质避免受到热损伤,另一方面是确保激光腔的稳定性,消除所谓“热透镜”效应。而光纤激光器采用光纤做增益介质,具有很大的表面积/体积比,这使其具有非常好的散热性能。同时,封闭的全光纤结构保证了激光腔的稳定性。正因为光纤激光器这些独有的特点,从而使得其对冷却的要求大大降低,低功率的光纤激光器更只需使用风冷,取代了传统激光器所必须的水冷要求,从而节电节水。

免调节、免维护、高稳定性

现代加工行业中大量使用到的半导体泵浦固体激光器,开机需要预热,使用过程中需要监控腔内温度情况,经常需要受过专业培训人员做光学校准,使用一段时间之后还需要更换激光腔,从而使得激光器的维护和使用成本非常高。而光纤激光器整个激光腔由柔性光纤通过熔接工艺组成一个封闭的腔体,腔内没有任何光学镜片,开机即可使用,具有免调节、高稳定性的优点。尤其重要的是,可长期免维护使用,可节约大量维护费用和时间,提高工作效率,从而节能省成本,这是传统激光器无法比拟的。

光束质量高,加工精度高

光纤激光器的光路由光纤和光纤元件构成,信号激光在直径很小的纤芯中产生和传输。在小芯径纤芯波导的限制下,信号激光可获得近似理想的光束质量和极小的光斑直径,这是全光纤激光器独具吸引力的无与伦比的重要优势。优异的光束质量和极小的出光光斑直径在激光应用中具有非常重要的意义,可使后续应用设备的光学系统更简单,体积更小,工作距离更长,激光聚焦光斑更小,工作效率更高,加工深度更深,加工质量更好等。同一台光纤激光器可以进行焊接、切割、钻孔、熔覆、烧结和钎焊。例如,新能源太阳能光伏产业中的核心元件(光伏板)的划片和切割工艺中,光纤激光器正在逐步替代其他各种激光切割技术,成为光伏产业中太阳能电池表面处理、薄膜切割等应用的最佳选择方案。因为光纤激光器和传统激光器相比具有最小光斑尺寸以及最优良的光束质量,所以切割质量最高,减少光伏板的材料浪费。换句话说,光纤激光器加工技术能够最有效地提高光伏电池的发电量,降低成本,提高效益。

在医疗方面,许多内外科手术中使用光纤激光作手术刀。大功率光纤激光器用于手术,使组织脱落和光致凝结手术的时间大大缩短。在眼科手术中,连续掺铥光纤激光器能使角膜成形手术的成功率更高,还可以治疗远视、近视等眼科疾病。由于光纤的柔韧性和光纤激光器光束质量好,在心血管手术中可使光纤进入人体内排除肿瘤或各种血管淤积物。在整形美容手术中,2微米波长光纤激光器在治疗皮肤癌和去纹身方面也取得了良好效果。此外,功率为几瓦的掺铥光纤激光器能为外科手术提供较大的高能辐射,在显微外科手术中扮演了重要角色,而且在红外保健方面也有应用。

大功率光纤激光器应用于石油矿产领域,在建井和完井作业中发挥出色作用。光纤激光器通过光纤向井下提供所需要的能量,与常规工业激光器相比,工作效率更高、光束质量更好、机动性更强,在使用寿命期间基本上不用维修。2003年,美国天然气技术研究所(GTI)使用5.34kW大功率激光器进行的井下射孔实验表明,高功率光纤激光器因具有较高光束质量使其能够破碎任何岩石,因而在此应用领域体现出其巨大优势。

除此之外,光纤激光器还具有体积小、灵活性高、使用寿命长(10万小时)等,就不一一列举。

综上所述,我们可以明显看出,高功率光纤激光器是适应绿色环保主题要求下的新型激光器,其发展是大势所趋,不可替代。其不仅自身使用节能省电、使用成本低,而且适用于新能源产业中高精密加工的需求,从而造福人类,其经济社会效益是不可估量的。

发展超高功率全光纤型激光器系统,无疑对于产业的升级换代具有重要的推动作用,在实现具有自主知识产权的新型加工设备研制方面具有深远意义。深圳是继武汉之后中国第二个激光产业聚集地,也是高功率光纤激光器的用户集中地区,有些公司每年用在高功率光纤激光器的采购上都已达数亿。在新一代的工业革命浪潮中,只有在工具上不断革新,积累优势,才能确保我们具备真正领先的创新制造能力。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (9/29/2015)
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