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梅曼科技2千瓦碟片激光器及其成套装备产业化

2013-10-29 00:06
天堂的苦涩
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  碟片激光器(Disk Laser)设计理念的提出,有效地解决了固体激光器的热效应问题,实现了固体激光器高平均功率、高峰值功率、高效率、高光束质量的完美结合。碟片激光器在汽车、船舶、铁路、航空、能源等领域成为不可替代的新型加工用激光光源,目前全球仅有德国Trumpf公司具有生产高功率碟片激光器的技术,最高功率达到16千瓦,光束质量达到8毫米毫弧度,实现了机械手的激光远程焊接和大幅面激光高速切割,为固体激光在高功率激光加工领域开辟了广阔的应用市场。

  相比于光纤激光器,碟片固体激光器还具有以下优势:

  (1)超薄的晶体封装结构(100-300μm)和高效的热管理技术使得碟片固体激光器的热效应极大的降低,保证高光束质量激光的输出。在维持泵浦功率密度一定的条件下,通过扩大泵浦增益区的面积或采用简单的级联方式,实现更高功率连续激光的输出(目前单碟实现5千瓦的激光器,4碟串联实现16千瓦的激光输出)。

  而光纤激光器由于光纤芯径的限制,如功率太高会出现非线性效应,所以,现有的4千瓦光纤激光器都是有4个1千瓦的光纤激光器非相干合成而获得的。

  (2)碟片激光器可以获得高峰值功率脉冲激光输出,有利于获得可见光和紫外光的激光束

  (3)碟片激光器分离器件的设计方案和增益介质的增益饱和特性,无背向反射光的产生,不会对光学器件或膜层造成损伤(光纤激光器不可回避的技术问题),利于更高功率激光的输出。

  (4)在工业应用中,碟片激光器为分立元件构成,如有损坏,可现场更换相应元件,成本较低,维修时间短;而光纤激光器所有元件都由光纤焊接在一起,如出现损坏,则需返厂维修,更换所有光纤元件,成本较高,维修周期较长。

  因此,高端工业激光器知名企业德国Trumpf将高功率碟片固体激光器作为公司主推的核心产品,其推出了一系列碟片激光器产品及相关成套工业应用设备。其激光器功率范围涵盖1千瓦至16千瓦,成套加工装备包括碟片激光切割装备、碟片激光三维焊接装备、碟片激光远程焊接装备、碟片激光三维加工中心等。其产品应用于高速切割、焊接、打孔等工业加工领域。因其具有加工速度快、精度高、使用方便、可靠性强,并能完成多种其他激光器难以胜任的高难度加工任务,尤其是得益于碟片激光器特殊的光学结构、合适的波长,其在有色金属等高反射材料加工方面优势明显。

  国内在“十一五”期间,华中科技大学与俄罗斯合作进行了“高功率碟片固体激光器的研究”项目,通过近五年的攻关,建立了高功率碟片激光器研发平台,验证了双抛物面共轭成像多次泵浦碟片晶体的新方法,实现了单碟1千瓦,五碟4千瓦的碟片激光器原理样机(图1为4千瓦碟片固体激光原理样机出光现场)。使中国成为第二个拥有自主知识产权高功率碟片激光器的国家,但该原理样机和工业激光器产品间还存在较大差距。

图1  4千瓦碟片激光器原理样机出光现场

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