2022-04-13
激光的四大本質(zhì)特性是單色性好、相干性好、方向性好、亮度高。而當下的光纖激光產(chǎn)業(yè)卻普遍更關注功率指標，因為更高的激光功率能帶來更強的加工能力及更高的加工效率。在這樣的背景下，光纖激光器廠家及系統(tǒng)集成商正以軍備競賽的強度追求更高功率(從1萬瓦到3萬瓦僅用2年時間，5萬瓦、10萬瓦新聞也陸續(xù)見諸報端)，以期能在同類產(chǎn)品競爭中獲得優(yōu)勢。
實際上，目前光纖激光器功率提升多采用光纖合束技術。這種技術是把對多個光纖激光模塊輸出光纖合束到一根更粗的光纖里，通過功率疊加的形式實現(xiàn)功率提升。這種技術方案較為成熟，能夠非常高效地實現(xiàn)功率提升，目前市面上幾乎所有的萬瓦激光器均采用這種方案。但由于該技術已經(jīng)普及，很難確保企業(yè)產(chǎn)品處于市場領先地位，再高功率都容易被輕易復制。OFweek激光網(wǎng)認為，只要不計較光束質(zhì)量，用粗光纖進行合束，再高的功率都能實現(xiàn)，但粗光纖合束會極大降低光束質(zhì)量，最終無法滿足激光“高亮度”的特性，也無法發(fā)揮激光特有的優(yōu)勢，淪為采用激光放大技術制成的大能量“探照燈”。
激光技術和產(chǎn)品每年都在升級迭代，但沒有本質(zhì)革新的功率提高似乎難以滿足行業(yè)發(fā)展的需求。在這樣的背景下，一些光纖激光從業(yè)者發(fā)出讓激光回歸本質(zhì)的號召：在提升激光功率之外，更需關注提升激光的亮度。
亮度與相對亮度：衡量激光器品質(zhì)的重要指標
提升亮度，首先要知道亮度是什么。亮度(L)的定義是：光源在單位面積、單位頻帶寬度和單位立體角內(nèi)發(fā)射的光功率，簡單來說就是“單位空間內(nèi)激光的功率密度”，計量單位為cd/m2(讀作：坎德拉每平方米)。亮度的計算公式非常復雜，業(yè)內(nèi)將其簡化為L∝P/(M2)2(通過功率和光束質(zhì)量平方的關系體現(xiàn)亮度，但很難求出準確的亮度值)。
關注亮度，卻難以用明確的指標來衡量，這讓絕大多數(shù)激光從業(yè)者難以理解和接受。因此，大科激光董事長、學者出身的郭少鋒博士提出了“相對亮度”的概念，這一概念完美解決了困擾廣大激光從業(yè)者的亮度計算問題。
相對亮度(Lr)的定義是：選擇一種標準激光光源，把它的亮度定義成1，其他激光器亮度的關鍵參數(shù)(功率P、光束質(zhì)量M2)與標準激光器亮度關鍵參數(shù)的比值，就是該激光器的相對亮度。由于目前激光行業(yè)已經(jīng)進入萬瓦時代，因此把1萬瓦激光器(P＝10000W、M2＝10的光源)定義為標準光源，該激光器的相對亮度為1。計算公式為：
OFweek激光網(wǎng)認為，相對亮度概念的提出，為衡量激光器亮度提供了可靠、可計算的參數(shù)指標，在探究激光光源加工能力的本質(zhì)上邁出了關鍵一步。例如，M2＝10的1萬瓦激光器相對亮度為1，M2＝10的2萬瓦激光器相對亮度為2，M2＝20的3萬瓦激光器(BPP約為7)相對亮度為0.75，而大科激光研制的M2＝1.38的5千瓦單模激光器相對亮度則能達到26(這種激光器被業(yè)內(nèi)稱為高亮度激光器)。由相對亮度的計算公式很容易得出，M2＝20的3萬瓦激光器亮度低于M2＝10的1萬瓦激光器，但二者都遠低于M2更低的單模激光器。
高亮度激光有何意義?優(yōu)勢何在?
過去十年間，光纖激光器借助金屬切割落料這一粗放型市場快速增長。在這種粗放型增長過程中，高功率帶來的高能量作用遠大于高亮度，一方面在于更高的能量是熔融更厚金屬的前提，另一方面在于厚板切割需要輔助氣體排出熔渣，光束質(zhì)量較差的光能產(chǎn)生較寬的割縫，利于厚板提速。因此這個階段應用層面對提高激光亮度的需求并不明顯。
隨著國家產(chǎn)業(yè)升級和需求升級，高端制造業(yè)的發(fā)展對激光加工提出了更高要求，這也為高亮度激光器帶來了更多發(fā)揮的空間。目前大家對高亮度激光器的認知普遍集中在“切薄板飛快，切厚板速度無優(yōu)勢”，實際上高亮度激光器的應用空間遠不止此。
從激光的特性來看，在同等功率條件下，經(jīng)過相同的光學系統(tǒng)聚焦后，高亮度激光焦點處光斑更小，能量密度更高。因此，高亮度激光在薄板切割時速度更快。除此之外，由于高亮度激光焦點處能量密度極高，在高反材料切割上有明顯優(yōu)勢。例如，過去人們總說光纖激光器無法切割高反材料，實際上是因為過去的激光器光束質(zhì)量差，亮度低(3000W激光器M2＝5，相對亮度Lr為1.2)。而當亮度提升之后(大科激光將3000W激光器M2優(yōu)化到1.2，相對亮度Lr＝20，提高16倍)，同樣的3000W功率可以輕松實現(xiàn)黃銅紫銅切割，其中4mm紫銅切割速度可達3.5m/min。
前面的例子是相同的光學系統(tǒng)產(chǎn)生不同的焦斑大小及能量密度。而若通過不同的光學系統(tǒng)使得二者焦點光斑大小一致，此時可以發(fā)現(xiàn)高亮度激光的發(fā)散角更小，準直區(qū)域更長，瑞利距離更大。盡管這樣的特性在中厚板加工速度上沒有優(yōu)勢，但卻能夠顯著降低端面錐度，減小熱影響區(qū)改善切割質(zhì)量，在對錐度、質(zhì)量要求更高的場景有著重要作用。
為證實上述理論，OFweek激光網(wǎng)聯(lián)合大科激光實驗室分別用5kW準單模激光器和6kW多模激光器進行了切割實驗。該實驗采用相同的切割頭，切割材料是厚度20mm的鋁合金。所用光源是匹配大幅面切割應用、可支持20m長度QBH輸出的5kW準單模激光器(M2因子實測為2.38，相對亮度Lr＝8.83)，及6kW多模激光器(M2因子是11.1，相對亮度Lr＝0.49)。
經(jīng)實測，5kW準單模樣件的頂面切縫寬度是611μm，底面切縫寬度是222μm，對應的錐度(上下表面切縫差除以樣品厚度)為0.01945。6kW多模樣件的頂面切縫寬度是1012μm，底面切縫寬度是348μm，對應的錐度是0.0332。由此可知，6kW多模激光樣品的切縫寬度是5kW準單模激光樣品的1.65倍，錐度是5kW準單模激光的1.7倍。對比以上結(jié)果可以得出，提升亮度可以獲得更窄的切縫和更小的錐度，意味著采用高亮度激光器切割將大幅度減少材料浪費。
同時，得益于穩(wěn)定的光斑，5kW準單模激光的切縫均勻度明顯優(yōu)于多模激光，對應的切面具有更佳的平整度和光亮度。需要特別指出的是，本次切割實驗所用的切割頭并非為準單模激光器專門設計，未能達到準單模激光器應有的最佳切割效果，如果能針對性地設計切割頭，樣件的錐度將能被更大幅度優(yōu)化。
在焊接應用上，隨著汽車輕量化趨勢和新能源汽車快速發(fā)展，車身激光焊接、動力電池激光焊接的需求與日俱增。目前業(yè)內(nèi)用于提升焊接品質(zhì)的技術路線主要有：工藝創(chuàng)新(復合焊、搖擺焊等)、光整形(環(huán)形光斑、可變光斑等)、改變波長(藍光、綠光等)，實際上提高亮度也能有效提升焊接品質(zhì)。大科激光5000W高亮度激光器焊接鋁合金數(shù)據(jù)顯示，在對鋁合金進行焊接時熔深隨功率提升而增加(最大4.5mm)，而熔寬則基本保持不變，這樣的特點非常適合動力電池、全鋁車身等鋁合金應用焊接。
此外，由于高亮度激光器有著極佳的光束質(zhì)量，遠距離傳輸后同樣能保持較高的能量密度，這為遠距離加工提供了豐富的想象空間。如果高亮度激光器的功率能夠進一步提升，未來甚至能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)米遠的距離進行高精度加工，這對未來激光加工的變革有著非常重要的引導作用。
功率亮度并重 激光器將進入亮度時代
目前，業(yè)內(nèi)進行高亮度激光器研制工作的企業(yè)數(shù)量不多，但也意味著這條新興的差異化賽道競爭更少，潛力更大。
大科激光董事長郭少鋒博士高度認可高亮度激光器的發(fā)展前景，他認為：“過去光纖激光器的發(fā)展處于功率時代，我認為接下來必將發(fā)展到亮度時代。為此我提出亮度為王的概念，在功率提高的同時必須把亮度也提升起來。高亮度是激光本質(zhì)特性的體現(xiàn)，也是激光器技術水平的重要衡量標準。未來高亮度將成為激光精細加工、遠程加工的必然選擇，為用戶創(chuàng)造更高收益、更大價值?！?/a>
大科激光是較早布局高亮度激光器的企業(yè)之一，在2017年成立之出就一直致力于打造更高亮度的激光器。據(jù)OFweek激光網(wǎng)2019年9月時的報道，當時大科激光的5000W單模塊激光器M2最優(yōu)值只能控制在2.0以內(nèi)，屬于“準單模”激光器，輸出光纜可達20m，能匹配各種大幅面切割應用。
此后大科激光根據(jù)高端應用的潛在需求，不斷優(yōu)化高亮度技術，現(xiàn)已能夠在5米QBH輸出時將5000W激光器M2優(yōu)化至1.38，最優(yōu)值可達到1.15，升級為純單模激光器。目前純單模5千瓦激光器的工業(yè)應用亟需深入開發(fā)，但我們相信在遠程加工、高速3D打印方面具有強大的應用潛力。
未來光纖激光器將進入功率與光束質(zhì)量并重的發(fā)展階段，即亮度時代。功率是更高能量的體現(xiàn)，更高功率意味著更強的加工能力，而高亮度則意味著更高精度、更高品質(zhì)，甚至是更長的工作距離。功率與光束質(zhì)量相輔相成，更高亮度的激光將為中國制造業(yè)創(chuàng)造更大的價值。
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