portant;"> 走進現代化生產(chan) 車間，你會(hui) 看見一台台激光器正無間斷成批生產(chan) 零部件的工業(ye) 繁榮景象。作為(wei) 製造行業(ye) 的新晉技術，激光製造近年來已迅速躥升為(wei) 薄鈑切割與(yu) 焊接的主流製造技術，人們(men) 甚至寄望未來將激光技術投入到大批量的生產(chan) 中。

portant;"> 憑借著在可靠性、成本和生產(chan) 效率等方麵的顯著優(you) 勢，激光技術不僅(jin) 被冠以現代製造的中流砥柱的稱號，它也顛覆了傳(chuan) 統的製造模式，令“不可能”成為(wei) 現實。增材製造、自動化機器人以及遠程切割和焊接就是十分典型的應用案例。

portant;"> 下麵就讓我們(men) 共同回顧一下工業(ye) 激光的發展史，以及它是如何奠定如今的行業(ye) 地位的。

portant;"> 從(cong) 二氧化碳激光器到二極管激光器

portant;"> 20世紀60年代初期，二氧化碳激光器開始進入人們(men) 的視野。當時，二氧化碳激光器主要應用於(yu) 工業(ye) 切割和焊接領域，不過礙於(yu) 采購成本、運營和維護等問題導致它並沒有得到廣泛使用。另一方麵，技術人員得不到專(zhuan) 業(ye) 化的培訓也是它沒有普及的原因。

portant;"> 隨著二氧化碳激光器功率持續增高，到20世紀80年代，他們(men) 成為(wei) 工業(ye) 領域中應用廣泛的高功率激光器。盡管如此，大量損耗氣體(ti) 所帶來的高昂成本依然為(wei) 二氧化碳激光器的生存帶來挑戰。為(wei) 了保持設備的穩定運行，替換鼓風機、電極、真空泵以及鏡麵清潔與(yu) 校準等維護工作的成本是十分昂貴的。

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portant;"> 圖1：由多家製造商提供的纖芯105μm，波長915nm光纖耦合二極管激光器的功率與(yu) 時間的對比圖。從(cong) 圖中可看出激光器的輸出功率隨時間的推進不斷提升。曲線中兩(liang) 個(ge) 最高的數據點分別對應了恩耐泵浦二極管與(yu) 恩耐近期展示的315W泵浦二極管(該款產(chan) 品的輸出功率提升了近60%)。

portant;"> Nd：YAG固體(ti) 激光器在20世紀90年代正式登上工業(ye) 舞台。取代了鏡麵反射傳(chuan) 輸，固體(ti) 激光器可通過柔性光纖光纜傳(chuan) 輸激光，從(cong) 而更易與(yu) 機器人進行集成。與(yu) 二氧化碳激光器相比，固體(ti) 激光器無需損耗氣體(ti) 也能獲得與(yu) 前者相同的生產(chan) 效率和出色的光束質量，不過它也需要高標準的常規維護。

portant;"> 功率的提升擴大了激光器的應用領域，尤其是在工業(ye) 焊接方麵;同時也正因為(wei) 功率的提升，固體(ti) 激光器的光束質量與(yu) 其他性能因增益介質的熱效應影響發生了退化。最終，Nd：YAG固體(ti) 激光器被半導體(ti) 激光器所取代。

portant;"> 二極管激光器的電光轉換效率高，輸出波長吸收也更為(wei) 充分。然而二極管泵浦固體(ti) 激光器(DPSS)的光束質量和最大功率卻受到增益介質散熱問題的製約，同時還要麵臨(lin) 汙染、標準校準和維護等問題。

portant;"> 20世紀末期，受益於(yu) 多項光學技術的突破，光纖通信為(wei) 激光技術帶來了重大改進。二極管泵浦的光纖放大器憑借出色穩定的光束質量、高效性、易散熱性以及不受汙染、環境或光功率等級影響的無校準密閉光路，成為(wei) 光纖通信取得成功的關(guan) 鍵因素。由於(yu) 激光是從(cong) 光纖中產(chan) 出，其光纖耦合的效率也很高。人們(men) 對電信的投資無疑推動了二極管激光器的生存和功率增長，但由於(yu) 通信光纖放大器的普遍功率保持在1瓦以下，所以並不適合於(yu) 大多數的工業(ye) 應用。

portant;"> 光纖激光器和碟片激光器崛起

portant;"> 到了21世紀，二極管激光器的功率和性能繼續得到提升。圖1為(wei) 波長915nm的二極管激光器耦合進105μm光纖的功率，從(cong) 圖中我們(men) 可以看到輸出功率在最近幾年有明顯提高。恩耐作為(wei) 高功率半導體(ti) 激光器和光纖激光器的專(zhuan) 業(ye) 供應商，已經在期刊上刊登了315W105μm光纖耦合半導體(ti) 激光器的介紹。

portant;"> 半導體(ti) 激光器在光纖、光纖加工方式和光纖相關(guan) 器件方麵的優(you) 勢已經被成功應用到光纖激光器中，如此一來光纖激光器的功率不僅(jin) 得到了提升，它在金屬焊接、切割等領域也開始廣泛應用。從(cong) 圖2中我們(men) 可以看到在2004年光纖激光器的輸出功率首次達到1千瓦，而2013年更是突破性地達到100千瓦。十餘(yu) 年的時間，光纖激光器當之無愧地成為(wei) 激光行業(ye) 發展最快的產(chan) 品，並且正在取代其他類型的激光和非激光技術，如電弧焊接、等離子切割等。

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portant;"> 圖2：圖為(wei) 光纖激光器輸出功率與(yu) 時間的對比圖，數據出自激光器製造商與(yu) 研究實驗室。圖中藍點表示單模光纖激光器(最佳光束質量與(yu) 最高亮度)，紅點表示多模光纖激光器(光束質量較低)。

portant;"> 同樣得益於(yu) 二極管泵浦激光器的發展，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(wei) 增益介質，而是將其轉化為(wei) 一張薄碟片，從(cong) 而使輸出功率擴展到千瓦級。不過，與(yu) 光纖激光器相比，碟片激光器無論是在生產(chan) 效率還是光束質量上都沒有優(you) 勢，且其光路也需要更多空間。

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portant;"> 表1：不同激光器的對比總結[5-8]

portant;"> 二極管激光器在功率提升後已然能夠滿足部分工業(ye) 需要。未來碟片激光器、直接半導體(ti) 激光器和光纖激光器的功率仍將越來越高。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(hui) 擁有最高的亮度。憑借這一點它們(men) 也將成為(wei) 工業(ye) 應用中最受歡迎的激光器產(chan) 品。

portant;"> 不同激光器的應用與(yu) 技術對比

portant;"> 激光技術的發展改變了製造業(ye) 的格局，如今的製造商麵臨(lin) 著來自生產(chan) 效率、精度和價(jia) 格的壓力，這些壓力正推動製造業(ye) 往更加自動化的方向發展。換句話說，激光器將更加適用於(yu) 製造業(ye) ，也更為(wei) 製造業(ye) 所需要。目前在工業(ye) 加工領域使用最為(wei) 廣泛的激光器主要包含光纖激光器、二氧化碳激光器、半導體(ti) 激光器和碟片激光器。

portant;"> 金屬切割是激光器如今最常見的應用領域。自21世紀初以來，光纖激光器已在整個(ge) 行業(ye) 占據中心且絕對主導的地位。其快速的切割速度和低維護與(yu) 運營成本使元器件成本降低。光纖激光器所擁有的高亮度與(yu) 高光束質量的優(you) 勢，使其比半導體(ti) 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麵質量的厚鈑，但是這一優(you) 勢很快就被光纖激光器和碟片激光器所代替和超越。

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portant;"> 圖3：左圖為(wei) 4千瓦光纖激光器切割碳鋼的速度與(yu) 厚度對比，以實心圓點與(yu) 實線表示;右圖為(wei) 4千瓦二氧化碳激光器切割不鏽鋼和鋁材的速度與(yu) 厚度對比，以空心圓點與(yu) 虛線表示。MS代表碳鋼，SS代表不鏽鋼，Al代表鋁。

portant;"> 圖3為(wei) 4千瓦光纖激光器和二氧化碳激光器的切割速度對比。其中以下幾點值得強調：

portant;"> ◆光纖激光器切割所有樣品都比二氧化碳激光器更快。

portant;"> ◆使用氧氣切割碳鋼的速度比使用氮氣慢10%左右，而氮氣在切割所有金屬時都有良好的表現(在切割薄鈑時，氮氣的切割速度可達到氧氣的6倍)。

portant;"> ◆使用氧氣可增加切割碳鋼的厚度。

portant;"> 光纖激光器出色的光傳(chuan) 輸、光束質量、成本優(you) 勢和廣泛的適用範圍，使得它成功替代了電子束係統和二氧化碳激光器進入高能量密度焊接領域並占據了優(you) 勢地位。

portant;"> 二氧化碳激光器無法加工高反金屬的原因，是其輸出波長(10μm)無法很好地與(yu) 材料匹配。而光纖激光器的波長為(wei) 1μm，材料對該波段有較高的光吸收性，但光纖激光器還是會(hui) 受到部分反射光的損害，這一缺點限製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到的抗高反技術，已廣泛應用於(yu) 銅、金、黃銅、銀和鋁材的焊接和切割中[9]。電動汽車的鋰電池製造是光纖激光器的另一大應用領域，光纖激光器的進入不僅(jin) 為(wei) 鋰電池製造行業(ye) 帶來了成本節省，也提高了其設計靈活性和更穩定的產(chan) 品質量。

portant;"> 對於(yu) 加熱、熔覆、硬焊等無需極高光束亮度的應用領域，半導體(ti) 激光器成為(wei) 了它們(men) 的理想選擇。如果使用光纖激光器和碟片激光器，更大光纖發出的光束或者光束整形光學器件將導致高亮度光束的分解。盡管這使得這些光源的適用性更強，但對前文提到的應用領域來說，半導體(ti) 激光器(直接從(cong) 二極管條或光纖傳(chuan) 輸)的適用程度要更高。

portant;"> 金屬3D打印，也稱為(wei) 增材製造，其主要製造工具為(wei) 粉末堆積工具。工具製造商們(men) 如今正在尋求更好的光束質量、更精確的功率控製和更快的調製速度，以實現更完美的材料特性與(yu) 更好的表麵光滑度。目前唯一可以在增材製造中實現以上幾點要求的隻有光纖激光器。光纖激光器和半導體(ti) 管激光器也可適用於(yu) 送粉式增材製造，被稱為(wei) 激光沉積技術。