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国内外新型激光器技术及应用发展趋势

时间:2017-04-07  来源:高端装备发展研究中心   发布:高端装备网 
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  激光科技广泛应用于高端制造、信息通讯、生物和医疗健康等产业及军事工业、国防安全等领域,是当今世界战略高科技竞争的重要领域之一。世界主要发达国家纷纷将发展激光技术作为本国优先布局的领域,给予大力支持。近年来,工业高技术产业超越传统产业,激光加工技术与装备作为现代化高科技加工手段,越来越多的传统产业依靠激光加工技术,提升产品的加工质量或解决传统加工方法和工艺不能解决的难题,高技术、高成长的激光产业发展迅速,激光技术的应用和技术改造令部分传统产业转型成功。工业激光器继传统的气体、固体激光器之后,光纤激光器、半导体激光器、碟片激光器、超短脉冲激光器等新型激光器发展迅速,下面对这几种新型激光器的原理、特点、技术发展及应用情况进行介绍。

 

  光纤激光器

 

  光纤激光器是近些年来激光领域备受关注的热点。与传统的固体、气体激光器相比,光纤激光器具有许多独特的优越性,例如光束质量好,体积小,重量轻,免维护,风冷却,易于操作,运行成本低,可在工业化环境下长期使用;而且加工精度高,速度快,寿命长,省能源,尤其可以智能化,自动化,柔性好。

 

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A fiber laser can be end-pumped with one or many lasers

 

  欧洲正在加强光纤激光器的研发力度,由德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所的“领先的光纤激光器技术”重大项目,投资1700万欧元研制新型光纤激光器,并使其功率超过千瓦级。

 

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不同功率的光纤激光加工技术对比

 

  我国的光纤激光器的应用和产业化发展也很快。尤其是国家提出要加快培育和发展战略性新兴产业的决定,更加有力地提升了光纤激光器技术的产业发展。大族激光的激光切割机,在汽车制造等行业都有着很大的市场潜力;武汉楚天激光集团股份有限公司制备出的大型光纤激光器切割机成功用于升空的神舟七号飞船,还在军工加工中做出重要贡献。武汉的华工科技成立了军用激光技术研究所,他们利用光纤激光器进行激光打标、激光焊接、激光切割、激光精密修调、激光表面处理及其它军工方面的工艺操作。

 

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武汉楚天激光集团的海豚”HYPE-CUT激光切割机

 

  国内的一些公司已经广泛地使用光纤激光器开展了许多领域的应用,而且还在不断地扩展中,光纤激光器的应用在国内形成了一个很大的市场,具有巨大的发展潜力。但是,我国的光纤激光器发展很晚,落后于国际的研发水平。因此,开展具有独立知识产权的激光材料研究和光纤激光器的制备研究,尤其是开展光子晶体光纤激光器的研究,是十分紧迫的。

 

  光纤激光器在工业加工领域具有多方面的优势。与传统的CO2激光器和固态激光器相比,光纤激光器体积更小、效率更高、成本更低,另外还有抗震和不怕灰尘污染的优点,其光束质量更是远非前二者可比。光纤激光器的光电转换效率可达30%以上,工作时产生的热量较少,甚至不用水冷采用风冷的方式就足以满足冷却的要求。从激光光源的寿命方面考虑,光纤激光器总的使用成本大约是CO2激光器的1/2,YAG或圆盘激光器的1/3。虽然光纤激光器的初始投资要大于同等功率的CO2激光器,但光纤激光器的输出功率只需要达到CO2激光器的50%就可以实现与CO2激光器一样的加工速度。另外,光纤激光器是由高可靠性的激光二极管泵浦的,其谐振腔存在于光纤内部,几乎不发生维护费用也不需要排列光学谐振腔镜。

 

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  随着光纤激光器的快速发展,其应用范围越来越高,目前主要的市场应用为工业材料加工领域。光纤激光的工业应用,已经从低功率的打标、雕刻向更高功率的金属和陶瓷的切割、焊接等方面发展。在汽车和造船等行业中,结构紧凑、使用方便的高功率光纤激光器具有巨大的市场潜力。

 

  航空领域是因光纤激光器而获益匪浅的行业。在现在航空业中,一个涡轮引擎可能会有多达数百万计个孔,这些孔主要用于帮助器件在运转过程中及时散热。孔的厚度、角度、直径、形状各不相同。在航空领域钻孔应用中,新型光纤激光器是一种更快,更灵活、更稳定,也更具成本优势的选择。

 

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  光纤激光器的另一个显著优势就是易于与现有机器或是机器人系统整合。光纤激光器的能量传输是通过光缆实现的,所以无论是现有系统升级,还是全新安装,都很容易。连接光纤激光器的工业机器人能够通过编程实现精准控制,这样人们就可以建立一种新的钻孔系统,用较少的资本投入,获得机器人系统的高度灵活性。此外,将机器人与六轴系统相结合,也能满足航空器件工业钻孔对精确度的需求。直到今天,一些大型企业仍在不断深入研究,包括多轴机器及机器人系统的开发,现有生产线的升级等等。

 

  近年来,随着光通信网络及相关领域技术的飞速发展,光纤激光器技术正在不断向广度和深度方面推进。相关技术的进步,特别是以光纤光栅、滤波器和光纤技术等为基础的新型光纤器件等的陆续面世,将为光纤激光器的设计提供新的思路和方法。尽管目前多数类型的光纤激光器仍处于实验室研制阶段,但已经在实验室中充分显示出了优越性。

 

  另外,由于光纤激光器在效率、束质、体积、重量、坚固性和冷却方面都具有明显的优势,通过大量的外场试验证明,它将成为战术激光武器的主要光源之一。

 

  半导体激光器

 

  1962年,美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器——GaAs同质结构注入型半导体激光器。从此开始,半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。

 

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半导体激光器原理

 

  半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域,已成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点, 使得它目前在光电子领域中应用非常广泛, 已受到世界各国的高度重视。

 

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  半导体激光器广泛应用于工业、军事、医疗、通信等众多领域。但是由于自身量子阱波导结构的限制,半导体激光器的输出光束质量与固体激光器、CO2激光器等传统激光器相比较差,阻碍了其应用领域的拓展。近年来,随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术的飞速发展,特别是在直接半导体激光工业加工应用以及大功率光纤激光器抽运需求的推动下,具有大功率、高光束质量的半导体激光器飞速发展,为获得高质量、高性能的直接半导体激光加工设备以及高性能大功率光纤激光抽运源提供了光源基础。

 

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  目前,国际上工业用半导体激光器技术已获得了巨大进步,半导体激光器的功率输出已经能够达到10kW以上,在1kW时的光束质量已经能够小于12mm mrad,其光束质量已经超过了同功率全固态激光器。国外几家大公司都已经实现了半导体激光的实际工厂应用,而国内还刚刚起步,也在向着实际应用领域进军。特别是汽车加工行业。半导体激光光束质量早已超过同功率灯泵浦YAG激光器的光束质量,如下图是半导体激光器在各个应用领域所需要的光功率和光束质量的示意图。

 

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半导体激光器在各个应用领域所需要的光功率和光束质量

 

  半导体激光器领域已形成两个各自独立的阵营:

 

  一是以军事应用推动发展的美国。DARPA专门设立了超高效率激光器光源项目,其研究的最终目标为将半导体激光器的电光转换效率提高到80%。在军方资助下,nlight研究团队实现了电光转换效率为75%的目标,在此基础上,美国战术激光武器第一阶段已成功完成了靶试。另一个阵营是以工业激光加工应用推动发展的欧洲,在各国政府的强势支持和引导下,实现了大功率半导体激光器在工业加工领域的应用,特别是德国政府于2011年推出了“德国光子学研究——未来之光”计划,对光子学支撑技术中的新型激光器和光学材料等项目的研究和发展起到了积极的推动作用。

 

  美国国防部“耐用电子激光”计划(RELI)致力于生产下一代轻量紧凑型激光武器。波音公司碟片激光器已经超过了国防部RELI项目要求,集成一系列商用固态激光器以发出高能量光束,该光束功率超过30千瓦,超过国防部标准30%,足够严重损害威胁目标。商用激光器不仅可降低成本,也可保证最少的支持和维护。

 

  另外,由于半导体激光器的体积小、重量轻、供电简单、结构紧凑和便于携带、便于维护以及能够高效率的与光线进行耦合等特点,是医学应用上的理想激光光源。目前已经将大功率半导体激光器应用于手术治疗、肌肉组织焊接、牙科治疗、激光止痛和激光针灸等许多方面。半导体激光器的输出波长为805nm左右的激光,非常适合于人体的手术治疗。激光手术比常规的手术刀和电刀具有出血较少、愈合较快和不容易感染等特点;用激光进行手术包括使手术部位的组织迅速汽化和切开或者切除的组织迅速凝固和止血。

 

  为满足各行各业对半导体激光器的需求,半导体激光器必须具有更高的功率、转换效率、可靠性、光束质量和更好的光谱特性。因此,半导体激光器的未来发展趋势为:

 

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  碟片激光器

 

  碟片激光器是二极管泵浦固体激光器,在20世纪90年代初期由Adolf Giesen在斯图加特大学首次将其证明。薄碟片中的增益介质是晶体,通常是Yb:YAG。Nd:YAG和用于宽波长调谐的掺镱增益介质。

 

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碟片激光器原理

 

  碟片激光器由于解决了传统固体激光器的热透镜效应问题,即使在大功率下也能保持良好的光束质量。转换效率高,运行费用低的特点使其在工业应用中发挥着独特的优势。随着每块碟片晶体的激光输出功率能力的不断增强,碟片激光器最大输出功率将不断创新高,而价格将逐渐下降,其在工业制造业中应用也将越来越广泛。

 

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  碟片激光器在工业制造业中应用很广泛,例如高速切割和各种焊接,包括常规焊接和飞行焊接等。激光机器人扫描焊接:将碟片激光器激光束通过光纤传至安装在机器人上的可编程聚焦光学头(PFO),PFO内装有两片高速扫描反射镜,它们使激光束按所编程序的路径作高速而精确的运动,通过远心透镜聚焦实现工件的焊接。由于在机器手运动的工程中,两片振镜亦可同时进行高速扫描,因此这种焊接也称为飞行焊接。厚钢板和铜板的激光穿透焊接:厚钢板的焊接需要很高的激光功率。碟片激光在大功率下仍保持良好的光束质量,因而对厚钢板的焊接具有特别的优势。

 

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  碟片激光器是一种能够同时实现极高输出功率,极高的转换效率,极好的光束质量的激光器,它适用于连续光输出激光器、纳秒级到飞秒级的脉冲激光器以及激光放大器,并且具有更好的性能,同时,碟片激光器具有简单易行的定标放大特性以及对不同激光器的良好的适应性,能够满足军事、科研、工业上的各种应用需求。迄今为止最高的能量和功率输出是Yb∶YAG碟片激光器,在将来,碟片激光器主要有以下两个发展方向:

 

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  超短脉冲激光器

 

  在激光中,超短脉冲光的产生之所以重要是因为可以通过控制激光的相干光波产生脉冲光,其时间宽度超出电子学所控制的范畴。从广义上讲,超短脉冲光是指小于1ns的脉冲光。20世纪60年代中期,科学家们对由闪光灯进行脉冲振荡的红宝石激光器和掺Nd激光器产生的锁模超短脉冲光展开了实验性研究。从此,短脉冲光的产生技术从锁模亚皮秒脉冲步入到飞秒脉冲。近年来,超短脉冲光技术得到了普及,自20世纪90年代以来,各种可调谐超短脉激光器达到了实用化。

 

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超短脉冲激光器的技术特点

 

  超短脉冲激光器现在已经慢慢从研究实验室转移到了工业加工领域。皮秒和飞秒级别的脉冲宽度使得材料能够不经过液化直接气化。通过冷消融可以实现对玻璃、金属、陶瓷和聚合物的逐层去除。钟表业正在使用这种技术进行精细雕刻,扫描振镜对复合材料的切割和钻孔不会造成任何的热影响区(HAZ),因而产生的表面和边缘质量较高。

 

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  此外,超短脉冲激光也具有重要的医疗应用价值。诸如可完成眼科、理疗和龋齿微创等手术。比如超短脉冲激光可以取代传统的球囊成形术和冠状动脉旁路移植术完成心血管等疾病的治疗。在障碍性听觉鼓膜恢复和橙骨成形以及鼓膜重建等手术中超短脉冲激光也均具有重要的应用潜力。超短脉冲激光除了上面提到的与有机生物体直接作用外,其也可以用来检测生物组织内部的精细结构用来辨别病变的根源。诸如光学相干断层扫描技术的出现,使人们能够精准定位体内病源的部位,从而进行相应的治疗,在医学诊断中起着重要的作用。

 

  超短脉冲激光器未来的发展趋势为:

 

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  高端装备发展研究中心报告推介:《国内外新型激光器技术发展趋势及应用调研报告》、《国内外高功率光纤激光器技术发展调研报告》、《国内外激光武器现状及发展趋势调研报告》等,如需订购或定制相关课题报告请联系我们。010-52882700 57325821

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