走進(jìn)現(xiàn)代化生產(chǎn)車(chē)間，你會(huì)看見(jiàn)一臺(tái)臺(tái)激光器正無(wú)間斷成批生產(chǎn)零部件的工業(yè)繁榮景象。作為制造行業(yè)的新晉技術(shù)，激光制造近年來(lái)已迅速躥升為薄鈑切割與焊接的主流制造技術(shù)，人們甚至寄望未來(lái)將激光技術(shù)投入到大批量的生產(chǎn)中。

憑借著在可靠性、成本和生產(chǎn)效率等方面的顯著優(yōu)勢(shì)，激光技術(shù)不僅被冠以現(xiàn)代制造的中流砥柱的稱(chēng)號(hào)，它也顛覆了傳統(tǒng)的制造模式，令“不可能”成為現(xiàn)實(shí)。增材制造、自動(dòng)化機(jī)器人以及遠(yuǎn)程切割和焊接就是十分典型的應(yīng)用案例。

下面就讓我們共同回顧一下工業(yè)激光的發(fā)展史，以及它是如何奠定如今的行業(yè)地位的。

從二氧化碳激光器到二極管激光器

20世紀(jì)60年代初期，二氧化碳激光器開(kāi)始進(jìn)入人們的視野。當(dāng)時(shí)，二氧化碳激光器主要應(yīng)用于工業(yè)切割和焊接領(lǐng)域，不過(guò)礙于采購(gòu)成本、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等問(wèn)題導(dǎo)致它并沒(méi)有得到廣泛使用。另一方面，技術(shù)人員得不到專(zhuān)業(yè)化的培訓(xùn)也是它沒(méi)有普及的原因。

隨著二氧化碳激光器功率持續(xù)增高，到20世紀(jì)80年代，他們成為工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的高功率激光器。盡管如此，大量損耗氣體所帶來(lái)的高昂成本依然為二氧化碳激光器的生存帶來(lái)挑戰(zhàn)。為了保持設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，替換鼓風(fēng)機(jī)、電極、真空泵以及鏡面清潔與校準(zhǔn)等維護(hù)工作的成本是十分昂貴的。

圖1：由多家制造商提供的纖芯105μm，波長(zhǎng)915nm光纖耦合二極管激光器的功率與時(shí)間的對(duì)比圖。從圖中可看出激光器的輸出功率隨時(shí)間的推進(jìn)不斷提升。曲線中兩個(gè)最高的數(shù)據(jù)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)了恩耐泵浦二極管與恩耐近期展示的315W泵浦二極管(該款產(chǎn)品的輸出功率提升了近60%)。

Nd：YAG固體激光器在20世紀(jì)90年代正式登上工業(yè)舞臺(tái)。取代了鏡面反射傳輸，固體激光器可通過(guò)柔性光纖光纜傳輸激光，從而更易與機(jī)器人進(jìn)行集成。與二氧化碳激光器相比，固體激光器無(wú)需損耗氣體也能獲得與前者相同的生產(chǎn)效率和出色的光束質(zhì)量，不過(guò)它也需要高標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)維護(hù)。

功率的提升擴(kuò)大了激光器的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在工業(yè)焊接方面;同時(shí)也正因?yàn)楣β实奶嵘腆w激光器的光束質(zhì)量與其他性能因增益介質(zhì)的熱效應(yīng)影響發(fā)生了退化。最終，Nd：YAG固體激光器被半導(dǎo)體激光器所取代。

二極管激光器的電光轉(zhuǎn)換效率高，輸出波長(zhǎng)吸收也更為充分。然而二極管泵浦固體激光器(DPSS)的光束質(zhì)量和最大功率卻受到增益介質(zhì)散熱問(wèn)題的制約，同時(shí)還要面臨污染、標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)和維護(hù)等問(wèn)題。

20世紀(jì)末期，受益于多項(xiàng)光學(xué)技術(shù)的突破，光纖通信為激光技術(shù)帶來(lái)了重大改進(jìn)。二極管泵浦的光纖放大器憑借出色穩(wěn)定的光束質(zhì)量、高效性、易散熱性以及不受污染、環(huán)境或光功率等級(jí)影響的無(wú)校準(zhǔn)密閉光路，成為光纖通信取得成功的關(guān)鍵因素。由于激光是從光纖中產(chǎn)出，其光纖耦合的效率也很高。人們對(duì)電信的投資無(wú)疑推動(dòng)了二極管激光器的生存和功率增長(zhǎng)，但由于通信光纖放大器的普遍功率保持在1瓦以下，所以并不適合于大多數(shù)的工業(yè)應(yīng)用。

光纖激光器和碟片激光器崛起

到了21世紀(jì)，二極管激光器的功率和性能繼續(xù)得到提升。圖1為波長(zhǎng)915nm的二極管激光器耦合進(jìn)105μm光纖的功率，從圖中我們可以看到輸出功率在最近幾年有明顯提高。恩耐作為高功率半導(dǎo)體激光器和光纖激光器的專(zhuān)業(yè)供應(yīng)商，已經(jīng)在期刊上刊登了315W105μm光纖耦合半導(dǎo)體激光器的介紹。

半導(dǎo)體激光器在光纖、光纖加工方式和光纖相關(guān)器件方面的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被成功應(yīng)用到光纖激光器中，如此一來(lái)光纖激光器的功率不僅得到了提升，它在金屬焊接、切割等領(lǐng)域也開(kāi)始廣泛應(yīng)用。從圖2中我們可以看到在2004年光纖激光器的輸出功率首次達(dá)到1千瓦，而2013年更是突破性地達(dá)到100千瓦。十余年的時(shí)間，光纖激光器當(dāng)之無(wú)愧地成為激光行業(yè)發(fā)展最快的產(chǎn)品，并且正在取代其他類(lèi)型的激光和非激光技術(shù)，如電弧焊接、等離子切割等。

圖2：圖為光纖激光器輸出功率與時(shí)間的對(duì)比圖，數(shù)據(jù)出自激光器制造商與研究實(shí)驗(yàn)室。圖中藍(lán)點(diǎn)表示單模光纖激光器(最佳光束質(zhì)量與最高亮度)，紅點(diǎn)表示多模光纖激光器(光束質(zhì)量較低)。

同樣得益于二極管泵浦激光器的發(fā)展，碟片激光器卻采用了截然不同的散熱方式。它不是以光纖作為增益介質(zhì)，而是將其轉(zhuǎn)化為一張薄碟片，從而使輸出功率擴(kuò)展到千瓦級(jí)。不過(guò)，與光纖激光器相比，碟片激光器無(wú)論是在生產(chǎn)效率還是光束質(zhì)量上都沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，且其光路也需要更多空間。

表1：不同激光器的對(duì)比總結(jié)[5-8]

二極管激光器在功率提升后已然能夠滿(mǎn)足部分工業(yè)需要。未來(lái)碟片激光器、直接半導(dǎo)體激光器和光纖激光器的功率仍將越來(lái)越高。憑借更小的光斑尺寸和更高的光功率密度，光纖激光器和碟片激光器仍會(huì)擁有最高的亮度。憑借這一點(diǎn)它們也將成為工業(yè)應(yīng)用中最受歡迎的激光器產(chǎn)品。

不同激光器的應(yīng)用與技術(shù)對(duì)比

激光技術(shù)的發(fā)展改變了制造業(yè)的格局，如今的制造商面臨著來(lái)自生產(chǎn)效率、精度和價(jià)格的壓力，這些壓力正推動(dòng)制造業(yè)往更加自動(dòng)化的方向發(fā)展。換句話(huà)說(shuō)，激光器將更加適用于制造業(yè)，也更為制造業(yè)所需要。目前在工業(yè)加工領(lǐng)域使用最為廣泛的激光器主要包含光纖激光器、二氧化碳激光器、半導(dǎo)體激光器和碟片激光器。

金屬切割是激光器如今最常見(jiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域。自21世紀(jì)初以來(lái)，光纖激光器已在整個(gè)行業(yè)占據(jù)中心且絕對(duì)主導(dǎo)的地位。其快速的切割速度和低維護(hù)與運(yùn)營(yíng)成本使元器件成本降低。光纖激光器所擁有的高亮度與高光束質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)，使其比半導(dǎo)體激光器、碟片激光器或二氧化碳激光器更加快速地切割薄鈑。盡管二氧化碳激光器也能切割出擁有出色端面質(zhì)量的厚鈑，但是這一優(yōu)勢(shì)很快就被光纖激光器和碟片激光器所代替和超越。

圖3：左圖為4千瓦光纖激光器切割碳鋼的速度與厚度對(duì)比，以實(shí)心圓點(diǎn)與實(shí)線表示;右圖為4千瓦二氧化碳激光器切割不銹鋼和鋁材的速度與厚度對(duì)比，以空心圓點(diǎn)與虛線表示。MS代表碳鋼，SS代表不銹鋼，Al代表鋁。

圖3為4千瓦光纖激光器和二氧化碳激光器的切割速度對(duì)比。其中以下幾點(diǎn)值得強(qiáng)調(diào)：

◆光纖激光器切割所有樣品都比二氧化碳激光器更快。

◆使用氧氣切割碳鋼的速度比使用氮?dú)饴?0%左右，而氮?dú)庠谇懈钏薪饘贂r(shí)都有良好的表現(xiàn)(在切割薄鈑時(shí)，氮?dú)獾那懈钏俣瓤蛇_(dá)到氧氣的6倍)。

◆使用氧氣可增加切割碳鋼的厚度。

光纖激光器出色的光傳輸、光束質(zhì)量、成本優(yōu)勢(shì)和廣泛的適用范圍，使得它成功替代了電子束系統(tǒng)和二氧化碳激光器進(jìn)入高能量密度焊接領(lǐng)域并占據(jù)了優(yōu)勢(shì)地位。

二氧化碳激光器無(wú)法加工高反金屬的原因，是其輸出波長(zhǎng)(10μm)無(wú)法很好地與材料匹配。而光纖激光器的波長(zhǎng)為1μm，材料對(duì)該波段有較高的光吸收性，但光纖激光器還是會(huì)受到部分反射光的損害，這一缺點(diǎn)限制了光纖激光器處理銅或其他高反材料的能力。恩耐的光纖激光器擁有真正獨(dú)到的抗高反技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于銅、金、黃銅、銀和鋁材的焊接和切割中[9]。電動(dòng)汽車(chē)的鋰電池制造是光纖激光器的另一大應(yīng)用領(lǐng)域，光纖激光器的進(jìn)入不僅為鋰電池制造行業(yè)帶來(lái)了成本節(jié)省，也提高了其設(shè)計(jì)靈活性和更穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。

對(duì)于加熱、熔覆、硬焊等無(wú)需極高光束亮度的應(yīng)用領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器成為了它們的理想選擇。如果使用光纖激光器和碟片激光器，更大光纖發(fā)出的光束或者光束整形光學(xué)器件將導(dǎo)致高亮度光束的分解。盡管這使得這些光源的適用性更強(qiáng)，但對(duì)前文提到的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體激光器(直接從二極管條或光纖傳輸)的適用程度要更高。

金屬3D打印，也稱(chēng)為增材制造，其主要制造工具為粉末堆積工具。工具制造商們?nèi)缃裾趯で蟾玫墓馐|(zhì)量、更精確的功率控制和更快的調(diào)制速度，以實(shí)現(xiàn)更完美的材料特性與更好的表面光滑度。目前唯一可以在增材制造中實(shí)現(xiàn)以上幾點(diǎn)要求的只有光纖激光器。光纖激光器和半導(dǎo)體管激光器也可適用于送粉式增材制造，被稱(chēng)為激光沉積技術(shù)。