CO2、光纖激光及直接半導體激光器誰將勝出？

　　Iccsz訊 本文將對比CO2激光器、光纖激光器及直接半導體激光器在金屬材料切割速度及質量方面表現，驗證了直接半導體激光器材料加工的應用潛力。

　　切割速度提升

　　過去10年間，光纖激光器之所以逐步取代CO2激光器，最主要原因是在同等功率水平下，光纖激光器的切割速度是CO2激光器的2到3倍。相較于10.6μm波長的CO2激光器，大多數金屬材料對于1.08μm波長具有更高的波長吸收率也能說明這一點。如圖1所示：

圖1 不同金屬對相關波長吸收情況，970nm直接半導體激光器比

　　光纖激光器具有更高的波長吸收率

　　最新的研究進展表面，直接半導體激光器系統可以通過二極管直接切割金屬，從而較少了光纖激光器和碟片激光器系統多帶來的復雜性及高成本。光纖激光器和碟片激光器系統都需要增加額外的組件和增益介質以達到足夠高質量的光束用于材料加工。因此，對比直接半導體和光纖激光器切割系統成為可能，同時也成為2015年各大展會及研討會討論的主題之一。結果表明，直接半導體激光器在提升金屬切割速度方面具有可行性，特別是在鋁材料加工方面，圖2展示了鋁材料對于970nm二極管波長具有更強的吸收率。在1KW直接半導體激光器導入50μm光纖(BBP值為2.5mm-mrad)情況下，對比于1.08μm光纖激光器(二者在工件表面具有相似的光斑尺寸)，直接半導體激光器切割速度可以提升1倍。

圖2 相似BPP值(2.5mm-mrad)及光斑尺寸下，對比1KW直接半導體激光器(970nm)和光纖激光器(1060nm)

　　盡管不那么激動人心，其他金屬切割速度也有10-20%的提升。例如圖3中展示的碳鋼切割速度對比，其中2KW光纖激光器和2KW直接半導體激光器系統具有相似的光斑尺寸，采用氧氣作為輔助氣體。對比光纖激光器典型切割速度范圍，直接半導體激光器初始數據具有一定優勢。同時，也能將切割范圍延伸到更厚的材料，直接半導體激光系統在15mm厚度時仍能保持高切割質量，而光纖激光系統只能做到12mm厚度，這一點在圖4中有所展示。直接半導體激光系統的這一特性在其他材料中也得到了驗證。切割質量的作用我們將在下一節中詳細討論。

　　圖3 碳鋼材料2KW直接半導體激光器和2KW光纖激光器切割速度對比(BLM集團提供)

　　在切割高反射材料方面，通過降低材料反射敏感度，直接半導體激光系統也能帶來加工效果的提升。減少反射光束對激光器的損害，也是光纖激光器不得不考慮的問題，因為摻鐿光纖對反射光非常敏感，需要傳感器來保護激光器免受損害。通過這種方式使得銅、黃銅和其他高反材料加工成為可能，但是反射光對光纖激光器或多或少都有損害。相反，通過采用N2作為輔助氣體，直接半導體激光器加工銅材料避免材料反射問題，同時也為終端用戶提供了更好的材料光潔度加工效果。

圖4 2KW直接半導體激光器切割12mm和15mm碳鋼質量對比切割質量提升

　　光纖激光器在加工厚金屬材料時保持高的切割質量相對困難，這一點已經被廣泛認知，所以我們強調更多的是光纖激光器的高切割速度。也正是由于這個原因，更多終端客戶仍采用CO2激光器生產線以解決厚金屬高加工質量要求。一些研究表明，直接半導體激光器在降低厚金屬材料表面粗糙度方面具有一定優勢。M. Wood對于這一點也做了重點介紹，圖5中展示了2KW CO2激光器和直接半導體激光器在切割4mm以上低碳鋼材料表面粗糙度對比情況。通過對比我們可以看出，直接半導體激光器加工的材料表面粗糙度穩定性更高。

圖5 CO2和直接半導體激光器切割低碳鋼表面粗糙度對比

　　以我們的經驗判斷，影響厚金屬材料切割表面粗糙度的主要因素是激光光源的光束質量，需要匹配最好切割質量和最佳切割速度。有別于光纖激光器只能通過切換高低BPP值來改變光束質量，我們研究表明，最佳BPP值應該是連續可變的函數，視材料及厚度而定。之前我們就指出在不影響切割質量的情況下速度可提升50%，通過在不銹鋼材料切割中從4mm-mrad到10mm-mrad最優化BPP值。

圖6 通過最優化激光光源BPP值，我們發現了降低表面粗糙度的因素。

　　目前直接半導體激光器系統可實現4到20 mm-mrad BPP值的連續變化。

　　總結：

　　通過提高插頭效率，改進可靠性和穩定性，使得直接半導體激光器成為企業材料加工利器，同時也能降低制造成本。最新研究表明，直接半導體激光器可用于金屬材料切割，而不僅僅是作為復雜及高成本的光纖激光器和碟片激光器的泵浦源。這一點在2015年多個公司的具體應用中已經得到驗證。直接半導體激光器提升切割速度及質量，有別于其他技術的BPP值優化，可進一步提升終端應用的加工工藝。我們希望未來進一步研究，能夠提升直接半導體激光器的應用潛力!(FRANCISCO VILLARREAL SAUCEDO，BIEN CHANN，BRYCE SAMSON，and PARVIZ TAYEBATI)