高亮度激光有何意义？优势何在？

过去十年间，光纤激光器借助金属切割落料这一粗放型市场快速增长。在这种粗放型增长过程中，高功率带来的高能量作用远大于高亮度，一方面在于更高的能量是熔融更厚金属的前提，另一方面在于厚板切割需要辅助气体排出熔渣，光束质量较差的光能产生较宽的割缝，利于厚板提速。因此这个阶段应用层面对提高激光亮度的需求并不明显。

随着国家产业升级和需求升级，高端制造业的发展对激光加工提出了更高要求，这也为高亮度激光器带来了更多发挥的空间。目前大家对高亮度激光器的认知普遍集中在“切薄板飞快，切厚板速度无优势”，实际上高亮度激光器的应用空间远不止此。

从激光的特性来看，在同等功率条件下，经过相同的光学系统聚焦后，高亮度激光焦点处光斑更小，能量密度更高。因此，高亮度激光在薄板切割时速度更快。除此之外，由于高亮度激光焦点处能量密度极高，在高反材料切割上有明显优势。例如，过去人们总说光纤激光器无法切割高反材料，实际上是因为过去的激光器光束质量差，亮度低（3000W激光器M²＝5，相对亮度Lr为1.2）。而当亮度提升之后（大科激光将3000W激光器M²优化到1.2，相对亮度Lr＝20，提高16倍），同样的3000W功率可以轻松实现黄铜紫铜切割，其中4mm紫铜切割速度可达3.5m／min。

前面的例子是相同的光学系统产生不同的焦斑大小及能量密度。而若通过不同的光学系统使得二者焦点光斑大小一致，此时可以发现高亮度激光的发散角更小，准直区域更长，瑞利距离更大。尽管这样的特性在中厚板加工速度上没有优势，但却能够显著降低端面锥度，减小热影响区改善切割质量，在对锥度、质量要求更高的场景有着重要作用。

为证实上述理论，OFweek激光网联合大科激光实验室分别用5kW准单模激光器和6kW多模激光器进行了切割实验。该实验采用相同的切割头，切割材料是厚度20mm的铝合金。所用光源是匹配大幅面切割应用、可支持20m长度QBH输出的5kW准单模激光器（M²因子实测为2.38，相对亮度Lr＝8.83），及6kW多模激光器（M²因子是11.1，相对亮度Lr＝0.49）。

经实测，5kW准单模样件的顶面切缝宽度是611μm，底面切缝宽度是222μm，对应的锥度（上下表面切缝差除以样品厚度）为0.01945。6kW多模样件的顶面切缝宽度是1012μm，底面切缝宽度是348μm，对应的锥度是0.0332。由此可知，6kW多模激光样品的切缝宽度是5kW准单模激光样品的1．65倍，锥度是5kW准单模激光的1.7倍。对比以上结果可以得出，提升亮度可以获得更窄的切缝和更小的锥度，意味着采用高亮度激光器切割将大幅度减少材料浪费。

同时，得益于稳定的光斑，5kW准单模激光的切缝均匀度明显优于多模激光，对应的切面具有更佳的平整度和光亮度。需要特别指出的是，本次切割实验所用的切割头并非为准单模激光器专门设计，未能达到准单模激光器应有的最佳切割效果，如果能针对性地设计切割头，样件的锥度将能被更大幅度优化。