2004年8月，SLV Meckl enburg- Vorpommern GmbH 生產(chǎn)了首臺(tái)10 kW光纖激光器，這標(biāo)志著光纖激光器的效率已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛越。在隨后的十年里，人們針對(duì)激光在各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究。我們將通過幾個(gè)實(shí)例，分析10 kW光纖激光器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)，并以此作為激光器推廣應(yīng)用的參考。
1.高功率光纖激光器——效率的大跨步
近年來，人們已經(jīng)研制出了可用于高功率激光設(shè)備的5 kW Nd:YAG激光源，然而，由于電光轉(zhuǎn)換效率僅有6%，且機(jī)身龐大，所以無論是單純的泵浦光源，還是二極管泵浦Nd:YAG激光源，仍不能完勝固態(tài)激光源。隨著光纖激光器輸出功率的進(jìn)一步提高，光纖激光器開始向著原來只能使用CO2激光源的應(yīng)用領(lǐng)域推進(jìn)。在過去的三年里，工業(yè)領(lǐng)域使用的多種激光源中，光纖激光器的重要性已經(jīng)開始日益凸顯。
2002年5月，IPG光子公司推出了首款輸出功率達(dá)到1 kW的光纖激光器。同年11月份，輸出功率已提升至4 kW。2003年3月，10 kW光纖激光器問世。至此，IPG已經(jīng)先后推出24款帶有不同輸出功率的光纖激光器，用戶遍及美國(guó)、歐洲和亞洲。
波長(zhǎng)為1070 nm的摻鐿光纖激光器以其外形小巧，光電轉(zhuǎn)換效率超過25%，以及極佳的光束質(zhì)量而備受矚目。其主要作用原理是在激光諧振腔內(nèi)，通過多種光能反饋，生成、引導(dǎo)并操作激光光束。光纖激光器由摻入特定稀土離子（如鐿、鉺、釹、銩等）的玻璃光纖所形成的雙包層線圈構(gòu)成。泵浦二極管通過多模纖維形成的雙包層線圈，將能量注入有源光纖。有源光纖內(nèi)部直接生成激光諧振腔，能量得到增益后通過一根無源單模光纖輸出。將多個(gè)單模光纖同步輸出，我們就可以得到一臺(tái)功率翻倍的 kW級(jí)光纖激光器。由于使用的是光纖到光纖的整體設(shè)計(jì)，所以完全不需要調(diào)整或?qū)R反射鏡及其他光學(xué)元件（如圖1所示）。
圖1：光纖激光器的原理（左圖），380 W模塊及一臺(tái)光纖激光器內(nèi)部的模塊組合
與其他具有類似輸出功率的激光系統(tǒng)相比，光纖激光器，再加上預(yù)計(jì)100000小時(shí)不間斷操作使用壽命的二極管的維護(hù)成本顯然更低。此外，由于光纖激光器的設(shè)計(jì)緊湊，操作簡(jiǎn)便，可接入的光纖最長(zhǎng)可達(dá)200 m，因此特別適用于那些需要高功率、靈活傳輸及高遷移性激光源的領(lǐng)域。
2004年8月，全球首臺(tái)10 kW光纖激光器在德國(guó)羅斯托克市的SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH公司誕生（如圖2所示）。除了可以進(jìn)行試驗(yàn)室焊接、切割和表面拋光試驗(yàn)外，客戶也可以自行對(duì)其進(jìn)行研究和拓展。Precitec公司已經(jīng)推出了一系列焊接和表面拋光用的光學(xué)頭及切割頭。如果是激光-電弧復(fù)合焊，還可以調(diào)整焊接頭，使其適合復(fù)合焊系統(tǒng)。除了上述靜態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)所使用的光學(xué)加工頭之外，Mobil Laser Tec公司還研制了一種新型激光頭，用于手動(dòng)引導(dǎo)焊接及切割。
圖2：SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH公司生產(chǎn)的10 kW光纖激光器
2.移動(dòng)激光發(fā)射基站
自從第一臺(tái)10 kW乃至更高輸出功率的光纖激光機(jī)問世以來，SLV Meckl enburg-Western Pommerani ait就很清楚地意識(shí)到，這種激光源配合移動(dòng)概念，必能發(fā)揮更大的作用，完全可以非常靈活地響應(yīng)客戶對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需求。在一個(gè)名為“DOCKLASER”的歐洲項(xiàng)目中，工作人員圍繞IPG YLR-10000光纖激光器設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)移動(dòng)激光發(fā)射基站（如圖3所示）。這個(gè)激光發(fā)射基站配備了冷卻設(shè)備，還預(yù)留了一些用于安放外圍設(shè)備的空間。這樣一個(gè)激光發(fā)射基站，只需要用普通平板貨車就能實(shí)現(xiàn)輕松運(yùn)輸。而該項(xiàng)目之前使用的是來自Trumpf的4.5 kW Nd:YAG激光器HL2006，體積是目前的三倍之大，所以必須要用到拖車。
圖3：配備10 kW光纖激光機(jī)及冷卻單元的移動(dòng)激光發(fā)射基站
2.1長(zhǎng)距離直縫焊的牽引
為了實(shí)現(xiàn)在垂直或水平方向利用激光-GMA復(fù)合焊工藝進(jìn)行長(zhǎng)距離直縫焊，焊接設(shè)備生產(chǎn)商奧地利Fronius公司設(shè)計(jì)并制造了一種牽引裝置。該裝置配有一臺(tái)激光-GMA復(fù)合焊光學(xué)頭，一個(gè)送絲單元，以及3個(gè)直縫焊激光傳感器MTH20，以便對(duì)焊縫形態(tài)進(jìn)行追蹤。GMA焊接單元TPS9000最大輸出功率為900 A，占空比60%。牽引裝置與移動(dòng)激光發(fā)射基站基站、焊接單元及傳感器控制單元之間可以借助獨(dú)立的控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。用戶通過示教器控制整個(gè)系統(tǒng)。該牽引裝置的實(shí)地試驗(yàn)設(shè)在JLM Papenburg造船廠（如圖4所示）。
圖4：位于Papenburg的Meyer造船廠的激光-GMA復(fù)合焊牽引系統(tǒng)
