行业动态

光纤激光器等新型激光器逐步抢占材料加工市场

发布:HPLSElaser阅读:2015时间:2018-2-1 22:45:27

高功率光纤激光器和二极管激光器正在重新定义材料加工领域,而强大的蓝色激光器也正在选择焊接市场中逐渐寻找一席之地。

对于一些二氧化碳激光器应用来说,目前的市场格局是显而易见的——光纤激光器作为新技术已经几乎完全取代了旧有技术。而现在激光器市场中正在酝酿出现的另一个巨大转变则是高功率二极管激光器的到来,这些激光器正在影响材料加工领域,并且因为二极管泵浦技术的出现大大降低了超快激光器的成本。


用光纤激光器取代二氧化碳激光器能够使金属切割速度提高2到5倍。图片来源:瑞士百超公司(Bystronic)。

在市场格局的转变过程中,通常成本更低、操作更容易、更稳定的激光器将会最终占领市场。除此之外这些激光器还拥有其他优点:拥有材料更容易吸收的波长或使激光器自身输出更精确的波长。

但这些市场的新晋“占有者”应该不会高兴太早。其他更加先进的技术,比如强大的蓝色激光器和几年前刚刚兴起的有机激光器都有可能取代今天的获胜者重新占领市场。


蓝色激光器在铜材料上工作的特写镜头。图片来源:Nuburu。

瑞士百超公司为其钣金切割系统改换了激光器,说明最近光纤激光器大有取代二氧化碳激光器之势。百超公司北美自贸区产品营销负责人Frank Arteaga表示:“两年前,光纤激光器的占有率可能已经达到了70%。而现在,北美市场的光纤激光器占有率几乎达到了100%。”

位于瑞士下恩茨地区的材料加工系统制造商百超公司于1986年开始使用二氧化碳激光切割机。百超公司一直使用这种技术,直到功能足够强大的单模光纤激光器开始进入商业化市场。百超公司于2009年推出了首款光纤激光器切割系统。


在温度为295K时,金属的能量吸收与波长的关系。图片来源:Nuburu。

Arteaga认为新的激光技术已经为材料加工提供了巨大优势。与那些基于旧技术的系统相比,这些新系统更加稳定,所需要的维护费用更少,运行成本能够降低一半,并且使用光纤激光器的系统加工速度比原有系统能够快两到五倍。

功率相同,产能更高

光纤激光器拥有如此大优势的原因一部分是由于波长的改变导致加工速度的加快。二氧化碳激光器工作在10μm的波长下,而百超公司使用的光纤激光器的波长是1.06μm。更短的波长使得激光更容易被需要切割的金属吸收,这意味着对于相同功率的激光器来说,波长越短的激光器其产能更高。使用较短的波长使得激光器更容易将光斑集中到一个较小的点,以进一步增加激光的功率密度。

百超公司对于激光器的选择正是整个激光加工行业转变的一个缩影。根据瑞士市场研究公司Optech Consulting于2016年3月发布的一份报告,光纤激光器现在占据的全球材料市场加工量比二氧化碳激光器和准分子激光器的总和还要多。

在此次加工行业的转变中,光纤激光器很重要的优势在于设备的更新换代。据Arteaga声称,该行业已经销售二氧化碳激光器系统长达25年,所以需要更换的设备基数非常庞大,而他估计有大约一万多套系统需要进行更换。

光纤激光器在切割和其他材料加工应用中已经取代二氧化碳激光器,其部分原因是固态激光器的功率在近些年呈稳步上升的趋势。总部位于马萨诸塞州牛津市的光纤激光器和放大器制造商IPG Photonics公司的北美销售总监Bryce Samson表示,仅仅在五六年前,用于材料切割系统中的光纤激光器的平均功率约为2千瓦。

“现在光纤激光器的平均功率已经在6到8千瓦之间,新产品的输出功率已经达到12到14千瓦。其中大部分产品是为了切割更厚的材料,因为原始设备制造商正在寻找如何用光纤激光器做到与二氧化碳激光器一样的切割质量。所以,即使是二氧化碳激光器在工业应用中的最后一个立足点,这一现状在未来五年内也将受到严峻的挑战。”


激光器原理图:优化器件结构并使用合适的材料可将激光脉冲时间延长至30毫秒,比原有的激光器延长100倍以上。图片来源:日本九州大学Atula S.D. Sandanayaka和Willam J. Potscavage Jr。

Samson补充称,任何工业应用的关键要求是激光源体积小、结构紧凑、性能可靠、性价比高。设备的可靠性是非常重要的要求,激光系统必须能够连续运行多年,唯一的停机理由是日常维护。

同样重要的是,必须拥有适合于工业应用的输出波长,对于光纤激光器来说,这意味着必须找到适合商业化应用的掺杂剂。目前,IPG公司正在致力于开发2~10微米范围内的激光光源,并利用公司自身的资源以及大学和其他地方的资源开展此项研究工作。通过倍频或三倍频,IPG也正在研究绿光和紫外波段的激光器。

除了需要更大的功率和新的输出波长,光纤激光器也正在进入超快加工领域,其激光输出的脉冲宽度只有几纳秒或更短。Samson表示,由于光纤激光器的高度可靠性,光纤激光系统已经在这个领域占据了一定的市场份额。超短脉冲激光器还能够进行精密加工,使其成为精细材料加工的可选对象。例如用于电子和紧公差机械系统,如加工燃料喷嘴。

如今,钛蓝宝石激光器也是一项重要的主导技术,甚至大有成为新一代激光器的潜力。由于科罗拉多州博尔德的KM Labs公司最近推出了一款单发射极高功率蓝色二极管激光器,已经能够提供直接二极管泵浦超快激光器。根据公司首席执行官Henry Kapteyn的说法,这种激光器能够为钛蓝宝石系统降低高达5万美元的成本。这可能使钛蓝宝石超快激光技术成为全新的应用领域。


典型的高功率光纤激光器加工过程。图片来源:IPG Photonics。

Kapteyn指出,有时从一种激光技术转换到另一种激光技术是由外部因素驱动的。例如,诸如智能手机之类的手持式电子设备需要超高精度的制造。这反过来又意味着采用较老的激光技术钻孔的印刷电路板的传统方法已经无法实现足够高的零件密度。Kapteyn表示:“印刷电路板正在被片上系统(Soc)所取代,因为其系统的架构密度更高。这再一次为更高精度的激光技术提供了展示的机会,并将推动新技术的采用。总的来说,工业材料加工将继续从机械方法中走出来。因此,激光加工系统应该将会出现持续的增长。”

高吸收率

根据科罗拉多州Nuburu公司的首席营销和销售官员Jean-Michel Pelaprat的说法,高功率蓝色激光二极管的出现可能会成为第二种替代方案,Nuburu公司的产品设计将用于红外激光器,以及各种应用中的其他材料处理系统。高功率蓝色激光二极管的应用之一是用于汽车中锂离子电池阴极的铜箔的焊接。因为铜对红外光的吸收率仅为5%。


新型高功率蓝色二极管激光技术能够实现铜的焊接和其他材料的加工,这是红外激光器无法解决的问题。铜焊缝的特写照片:传导模式(a)和锁眼焊缝(b)。图片来源:Nuburu。

铜对蓝光的吸收率是65%。目前,铜对红光的吸收率过低意味着红外激光器无法用于该种焊接任务,因为铜焊接需要高质量的接头、良好的电连接和机械强度。目前,这种焊接都是由超声波完成的,但Nuburu公司的目标是改变这一现状,并解决目前由红外激光器完成的其他铜焊应用。根据Pelaprat的说法,波长较长的焊缝往往会导致飞溅,这可能导致短路,所以任何飞溅必须在焊接后的加工过程中避免。

与红外光相比,铜在蓝色波长处的吸收率更高,而且对于其他金属而言也是如此:不锈钢的吸收率能增加一半,而黄金的吸收率甚至能提高1000倍。这意味着,低功率蓝色二极管激光器就能够提供更高功率的红外系统产能。


使用6千瓦光纤激光器切割厚达30毫米的不锈钢。图片来源:IPG Photonics。

例如,很薄的铜箔完全能够使用Nuburu公司2017年推出的150W蓝色二极管激光系统进行焊接。而对于较厚的材料来说,将需要更多的电力,因此需要更高功率的系统才能完成焊接任务。

对于今后几年新的激光技术可能会对激光焊接行业产生什么影响,还有一种可能性是有机薄膜激光器。这种激光器能够更容易地实现某些颜色光输出,并且可能以低成本进行大规模生产。而且激光器能够被安装在灵活的系统中或为医疗诊断提供光源。


工作中的蓝色有机薄膜激光器。图片来源:日本九州大学Atula S.D. Sandanayaka和Willam J. Potscavage Jr.

日本九州大学有机光子学和电子学研究中心主任Chihaya Adachi表示:“它们可能用于各种测量或测试用的一次性实验室芯片设备中的光源。”九州大学数十年来一直在研究有机电子和光子学。研究人员正在研究如何延长发射器寿命以及如何制造电泵浦有机激光器。

Adachi表示,这项新技术的第一种也是最基本的应用将会在数年之后问世。最初,激光器的功率水平可能很低。因此,之后被新激光器首先代替的技术可能是低功率激光二极管。虽然这种情况很可能在未来发生,但是今天的基础材料研究也正在进行,因为基础材料研究的收益可能会很大。据Adachi称:“我们将继续挑战新的激光技术,因为我们想要寻求有机分子的终极能力。”

来源: https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=62743&PID=5&VID=149&IID=985

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