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(dāng)下的光纖激光產(chǎn)業(yè)卻普遍更關(guān)注功率指標(biāo)，因?yàn)楦叩募す夤β誓軒砀鼜?qiáng)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(qiáng)度追求更高功率(從1萬瓦到3萬瓦僅用2年時(shí)間，5萬瓦、10萬瓦新聞也陸續(xù)見諸報(bào)端)，以期能在同類產(chǎn)品競爭中獲得優(yōu)勢。
實(shí)際上，目前光纖激光器功率提升多采用光纖合束技術(shù)。這種技術(shù)是把對多個(gè)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(shí)現(xiàn)功率提升。這種技術(shù)方案較為成熟，能夠非常高效地實(shí)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(shù)已經(jīng)普及，很難確保企業(yè)產(chǎn)品處于市場領(lǐng)先地位，再高功率都容易被輕易復(fù)制。OFweek激光網(wǎng)認(rèn)為，只要不計(jì)較光束質(zhì)量，用粗光纖進(jìn)行合束，再高的功率都能實(shí)現(xiàn)，但粗光纖合束會(huì)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(shù)制成的大能量“探照燈”。
激光技術(shù)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(guān)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(biāo)
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(jì)量單位為cd/m2(讀作：坎德拉每平方米)。亮度的計(jì)算公式非常復(fù)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(guān)系體現(xiàn)亮度，但很難求出準(zhǔn)確的亮度值)。
關(guān)注亮度，卻難以用明確的指標(biāo)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(xué)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(jì)算問題。
相對亮度(Lr)的定義是：選擇一種標(biāo)準(zhǔn)激光光源，把它的亮度定義成1，其他激光器亮度的關(guān)鍵參數(shù)(功率P、光束質(zhì)量M2)與標(biāo)準(zhǔn)激光器亮度關(guān)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(jìn)入萬瓦時(shí)代，因此把1萬瓦激光器(P＝10000W、M2＝10的光源)定義為標(biāo)準(zhǔn)光源，該激光器的相對亮度為1。計(jì)算公式為：
OFweek激光網(wǎng)認(rèn)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(jì)算的參數(shù)指標(biāo)，在探究激光光源加工能力的本質(zhì)上邁出了關(guān)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(dá)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(jì)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(yuǎn)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(yuǎn)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(gè)階段應(yīng)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(rèn)知普遍集中在“切薄板飛快，切厚板速度無優(yōu)勢”，實(shí)際上高亮度激光器的應(yīng)用空間遠(yuǎn)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(xué)系統(tǒng)聚焦后，高亮度激光焦點(diǎn)處光斑更小，能量密度更高。因此，高亮度激光在薄板切割時(shí)速度更快。除此之外，由于高亮度激光焦點(diǎn)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(shí)際上是因?yàn)檫^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(dāng)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(shí)現(xiàn)黃銅紫銅切割，其中4mm紫銅切割速度可達(dá)3.5m/min。
前面的例子是相同的光學(xué)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(xué)系統(tǒng)使得二者焦點(diǎn)光斑大小一致，此時(shí)可以發(fā)現(xiàn)高亮度激光的發(fā)散角更小，準(zhǔn)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(shí)上述理論，OFweek激光網(wǎng)聯(lián)合大科激光實(shí)驗(yàn)室分別用5kW準(zhǔn)單模激光器和6kW多模激光器進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)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(yīng)用、可支持20m長度QBH輸出的5kW準(zhǔn)單模激光器(M2因子實(shí)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(shí)測，5kW準(zhǔn)單模樣件的頂面切縫寬度是611μm，底面切縫寬度是222μm，對應(yīng)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(yīng)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(zhǔn)單模激光樣品的1.65倍，錐度是5kW準(zhǔn)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(fèi)。
同時(shí)，得益于穩(wěn)定的光斑，5kW準(zhǔn)單模激光的切縫均勻度明顯優(yōu)于多模激光，對應(yīng)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(shí)驗(yàn)所用的切割頭并非為準(zhǔn)單模激光器專門設(shè)計(jì)，未能達(dá)到準(zhǔn)單模激光器應(yīng)有的最佳切割效果，如果能針對性地設(shè)計(jì)切割頭，樣件的錐度將能被更大幅度優(yōu)化。
在焊接應(yīng)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(dòng)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(shù)路線主要有：工藝創(chuàng)新(復(fù)合焊、搖擺焊等)、光整形(環(huán)形光斑、可變光斑等)、改變波長(藍(lán)光、綠光等)，實(shí)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(jìn)行焊接時(shí)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(diǎn)非常適合動(dòng)力電池、全鋁車身等鋁合金應(yīng)用焊接。
此外，由于高亮度激光器有著極佳的光束質(zhì)量，遠(yuǎn)距離傳輸后同樣能保持較高的能量密度，這為遠(yuǎn)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(jìn)一步提升，未來甚至能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)米遠(yuǎn)的距離進(jìn)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(dǎo)作用。
功率亮度并重 激光器將進(jìn)入亮度時(shí)代
目前，業(yè)內(nèi)進(jìn)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(rèn)可高亮度激光器的發(fā)展前景，他認(rèn)為：“過去光纖激光器的發(fā)展處于功率時(shí)代，我認(rèn)為接下來必將發(fā)展到亮度時(shí)代。為此我提出亮度為王的概念，在功率提高的同時(shí)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(shù)水平的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。未來高亮度將成為激光精細(xì)加工、遠(yuǎn)程加工的必然選擇，為用戶創(chuàng)造更高收益、更大價(jià)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(shí)的報(bào)道，當(dāng)時(shí)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(zhǔn)單?！奔す馄鳎敵龉饫|可達(dá)20m，能匹配各種大幅面切割應(yīng)用。
此后大科激光根據(jù)高端應(yīng)用的潛在需求，不斷優(yōu)化高亮度技術(shù)，現(xiàn)已能夠在5米QBH輸出時(shí)將5000W激光器M2優(yōu)化至1.38，最優(yōu)值可達(dá)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(yīng)用亟需深入開發(fā)，但我們相信在遠(yuǎn)程加工、高速3D打印方面具有強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。
未來光纖激光器將進(jìn)入功率與光束質(zhì)量并重的發(fā)展階段，即亮度時(shí)代。功率是更高能量的體現(xiàn)，更高功率意味著更強(qiáng)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(jià)值。
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