高功率盘形激光器的工业应用

　　一、 引 言

　　在过去的20 年中， CO2激光器、 盘形激光器和光纤激光器为成为工业切割与焊接应用领域的最佳高功率 (>1 kW) 激光器而竞争。 由于高光束质量及固有的良好切割质量， CO2激光器成为高质量切割更大厚度材料的选择工具; 而且由于只有较少的溅污形成， CO2激光器在非复合厚片焊接中也具有良好的应用。

　　CO2激光器的缺点是它需要一个基于光束传输系统的反射镜： 由于光束的引导， 柔性自动机械的使用变得很复杂。 然而， 另一方面， 自动机械的使用能削减系统的复杂性， 因此也就极大地节省了系统成本。 利用波长约为 1 μm 的固体激光器可以将成本节约的潜力恰当地体现出来。 由于玻璃的透射光谱， 激光光束可以通过光纤被灵活控制。因此， 对于那些厚度较薄的材料， 特别是那些焊接和切割需要自动化光束控制的材料， 光纤传输激光器具有明显的优势。光纤传输千瓦级激光器的市场份额一直被灯泵浦 Nd∶YAG 激光器所占有。 然而， 最近研制成功的薄盘形激光器能改进光束质量并且其加工能力可与CO2激光器匹配 (某些情况下甚至超过 CO2激光器)。 由于光束质量和功率调节能力， 在厚金属板焊接以及类电子束狭缝焊合应用方面， TRUMPF 的高功率盘形激光器具有经济适用和可完美加工等优点。

　　二 薄盘形激光器

　　盘形激光器已经发展成为输出功率高达 10 kW 的工业工具， 其光束质量满足应用需求 (即 2 mm·mrad(1 kW), 8 mm·mrad(2~8 kW)与 12 mm·mrad(10 kW))。

　　通过迅速建立光场中相同组件的强大基础， 盘形激光器的模块设计确保了高激光利用率 (例如，到 2007 年 12 月， 有超过 600 台 TRUMPF 盘形激光器反应腔和超过 2 400 个二极管模块应用在不同的工业制造领域)。 大部分组件被证明能在光场中暴露15 年以上， 比如光纤耦合光束传输、 光束匹配以及聚焦光学器件等， 它们都与灯泵浦激光器系统相匹配。薄盘形激光器的二极管寿命确保在 20 000 h 以上。 在极少情况下， 如果激光器系统遇到了偶然故障的情况， 操作者也可以迅速更换光场中的二极管模块。 对于高功率系列 (4 kW 及其以上)， 当一个二极管模块无论因何原因失效时， 其冗余模式都允许激光器连续操作。二极管激光器的光用于泵浦薄盘， 利用一个简单的光路系统， 泵浦光通过薄盘时可以被导引高达20 倍， 这保证了盘形激光器的高效率。

　　图 1 给出了圆盘谐振腔的结构， 其中圆盘放置在中央， 通过激光二极管进行泵浦。二极管泵浦的盘形激光器得到的高光束质量主要是发射激光媒质中散热能力的函数。 将圆盘 (大约直径为 14 mm， 厚度为 0.15 mm) 放置在水冷石块上 (热沉片)， 由于圆盘面向热沉片且圆盘很薄，因此冷却非常有效且产生的热梯度几乎可以忽略。盘形激光器的输出功率可以通过两种方式进行测量。 第一， 每个圆盘的输出功率直接与泵浦源的功率成比例。 盘形激光器的泵浦源由离散模块组成，泵浦模块的数量可以通过调整与每个圆盘的理想输出功率相匹配。 第二， 几个圆盘可以按光学方法串联排列， 以便在固定的光束质量条件下进一步增加输出功率， 可以组装的圆盘数量高达 4 个。 装有 4个圆盘的商业系统在工件中可以保证 10 kW 的输出功率， 这与 2.5 kW/disk 的输出功率是等效的。