光纤激光器与CO2激光器的比较

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华中科技大学李宇奥 目前的CO2激光打标机一般都是采用的进口CO2射频激光管，其使用寿命可达2-4万小时，该款机型最快打标速度可达7000mm/s。CO2激光打标机适合在绝大多数的非金属材质上打标，例如纸质包装、塑料制品、皮革面料、玻璃陶瓷等。随着技术的升级，武汉三工光电设备制造有限公司研发出10w便携式co2激光打标机，该机最大的特点是突破了传统co2激光打标机体积过于庞大的缺点，能方便的集成在各类生产线上，设备虽然体积减小了，但是功能上完全没有任何损失。在武汉三工光电设备有限制造公司，激光打标机系列产品中包括了CO2激光打标机和光纤打标机。CO2激光打标机 光纤激光打标机采用进口激光器，配备高速振镜扫描系统（打标速度≥7000mm/s）与专业激光打标软件。随着光纤激光器的价格不断下降，未来光纤激光打标机是主流。由于光纤激光器采用的是模块化设计，集成风冷装置，所以光纤激光打标机相对于其他的激光打标机来说体积更小。日前，三公光电公司推出了一款体积更小的便携式激光打标机，整机只有电脑机箱一般大。光纤激光器相对于其他几种激光器来说光电转化效率更高，光束质量更好，所以光纤激光打标机打出来的线条也更加的精细。光纤激光打标机适合在各类金属与非金属材料上打标。光纤激光打标机 LD耦合光学系统工作物质(增益光纤)准直光学系统泵浦源谐振腔光纤激光器的基本结构与原理谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本相同。 横流CO2激光器基本结构及工作机理 激光器厂家二氧化碳激光器激光器(以德国ROFINDC025为例)德国IPG光纤2000瓦激光器技术特点轴快流式激光器混气结构复杂，使用及维护成本庞大，光束发散较大，不适合大台面切割。德国rofin激光器2500瓦以内光束能量密度比较集中为基准模，最适合切割；由于其结构为板条式放电选模很困难，所以2500瓦以上模式为多模（01、10等多种模式并存），光束能量比较分散主要用于焊接，切割能力和2500瓦完全安全一样，切割稳定性低于2500瓦。光纤激光器具有其它激光器（CO2、HeNa、DPL等）无法比拟的优点：技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化，高亮度高转换效率，高能量输出高光束质量，无需光学准直，无需机械稳定，省电无需维修。激光器产生激光的气体消耗5.1元/小时没有气体消耗。光电转化效率8%-10%30%以上激光器内光路及机床外光路镜片消耗3.73元/小时1.6元/小时，由于光纤激光器的諧振腔内无光学鏡片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点。外光路仅为一根光纤传导。整个切割系统只有切割头一片聚焦镜激光器电功率消耗35KW/小时7kw/小时激光器水冷却系统电耗15KW/小时6kw/小时(含外光路光闸和切割头冷却） 维护成本轴快流式激光器维护成本巨大，前镜尾镜价格昂贵，涡轮机轴承寿命8000小时，8万元每对。ROFINDC025用于切割对激光器内部射频阀影响太大，射频阀约9万元/根，保修4000小时；另外rofin激光器需2000小时点检一次，费用为5000元。免维护，胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。光束特性ROFINDC025横向边缘放电，光束呈不规则状态，内部需增加4片镜片对光束进行整形，由于其原始光斑不规则，所以切割断面相对粗糙，尤其在厚板上更明显。激光单模输出，能量呈高斯分布。原始光束均匀，金属切割断面完美。最大功能率4000瓦100000瓦 脉冲性能升达到同样的功率，脉冲爬升时间比快轴流激光器多五倍，峰值功率持续时间远短于快轴流激光器，所以打孔能力、转角加工质量、消除零件下表面挂渣的能力较差可调制成脉冲输出模式，最高频率5KHz,响应时间小于100us，打孔能力、转角加工质量能量好，保证切割尖角和拐角质量。可切割材料种类碳钢、不锈钢。连续大量切割不锈钢或仅小批量切割黄铜/铝板/铝合金/钛合金/硅钢/镀锌板等但对射频管影响大。可连续大量加工一些难加工的金属铜(Cu)、铍铜(BeCu)、磷青铜(Pbronze)、钼(Mo)、不锈钢(SS)、镍(Ni)、铝(Al)、钛(Ti)、回火钢(TS)等。切割能力：碳钢不锈钢铝合金18—20毫米8—10毫米5—6毫米（不能连续切割）15—20毫米8—10毫米6—8毫米切割板材速度厚板稍慢，由于割缝细，速度较慢。薄板速度快，是CO2切割速度的2-3倍，切割质量好，断面完美。 综上所述：1.在切割质量及速度上光纤激光器优于二氧化碳激光器。2.在使用成本上光纤激光器每小时成本比二氧化碳激光器低44.23元（按工业用电每度电一元算），若每年工作7200小时，则每年共节省费用31万多元。3.由于没有外光路，在保养维护及故障率方面，同样大大低于二氧化碳激光器，同时切割稳定性将将远优于二氧化碳激光器。4.在一次性投入方面，光纤激光器要略高于二氧化碳激光器。 CO2激光器发展状况封离式慢速轴流横流快速轴流涡轮风机快速轴流扩散型出现年代202020202020功率5001000200005000100005000光束质量MF因子不稳定1.51052.51.2光束质量Kt因子不稳定5351794.5从上表可以看出，早期的CO2激光器取向激光功率提高的方向发展，单当激光功率达到一定要求后，激光器的光束质量受到重视，激光器的发展随之转移到提高光束质量上。接近衍射极限的扩散冷却板条式CO2激光器具有较好的光束质量，一经推出就得到了广泛的应用，尤其是在激光切割领域，受到众多企业的青睐。 光纤激光器的发展前景光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率、低阈值、光束质量好和窄线宽等优点。光纤激光器通过掺杂不同的稀土离子可实现380—3900nm波段范同的激光输出，通过光纤光栅谐振腔的调节可实现波长选择且可调谐。与传统的固体激光器相比，光纤激光器体积小，寿命长，易于系统集成，在高温高压，高震动，高冲击的恶劣环境中皆可正常运转，其输出光谱具有更高的可调谐性和选择性医疗及生物市场的强劲需求驱动了飞秒(超快)激光技术在分析仪器应用方面的快速发展。人们正在努力对活体细胞、组织以及病毒转移特质进行实时测量和分析．这些应用对人类攻克癌症等方面的研究至关重要。超快激光使得在对患者进行快速，非介入性诊断时可以取得实时信息。现有超快激光的制造技术成本太高，系统的尺寸也非常庞大，这些制约了市场的发展。光纤激光器的很大一部分应用可以走到超快激光．而且光纤激光器的生产厂商也着重从尺寸小巧方面推荐光纤的应用。生命和健康科学是一个非常强劲的市场．因为那里会永远不断地出现新的应用，其中很多是基于激光的应用，并且医药也在不断寻求改进。激光不再只局限为一种外科手术工具，将会更加广泛地应用于医学诊断(如细胞影像)、药检、DNA排序、细胞分类以及蛋白质分析等方面。激光现已广泛应用于人们前所未闻的领域中。 未来光纤激光器的发展趋势将体现在以下几个方面：(1)提高光纤激光器的本身性能：如何提高输出功率和转换效率，优化光束质量，缩短增益光纤长度，提高系统稳定性并使其更加小巧紧凑，上述目标将是未来光纤激光器领域研究的重点；(2)新型光纤激光器的研制：在时域方面，具有更小占空比的超短脉冲锁模光纤激光器一直是激光领域的研究热点。高功率飞秒量级脉冲光纤激光器一直是人们长期追求的目标，该领域研究的突破不仅可以给光通信时分复用(OTDM)提供理想的光源，而且可以有效带动激光加工、激光打标及激光加密等相关产业的发展；在频域方面，宽带输出并可调谐的光纤激光器将成为研究热点。近年来，一种采用ZEBLAN材料(zr，Ba，La，Al，Nd)为激光介质的非线性光纤激光器引起了人们的重视。这种激光器具有相当宽的带宽和低损耗．可实现波长上转换几个波段。可以预见，随着相关技术的完善，光纤激光器将向更广阔的领域发展，并有可能成为替代固体激光器和半导体激光器的新一代光源，形成一个新兴的产业。 综上所述，光纤激光器技术是一个正在得到高度重视和迅速发展的新型技术研究热点，所涉及的科学研究和产品应用领域十分广泛，具有巨大的潜在应用价值和广阔的市场前景。随着各种类型光纤激光器技术的逐步成熟和商业化应用，将对相关领域的发展产生巨大的推动作用，同时也将引起相关技术领域的深刻变革。