千瓦级光纤激光器技术已趋于成熟

　　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)。