公大激光發(fā)布全球首臺近單模2000 W連續(xù)綠光激光器

2024/6/27 來源：東莞市懿展精密五金制品有限公司

一、激光技術背景

激光技術，自20世紀中葉誕生以來，已成為現(xiàn)代科技的基石之一，其發(fā)展背景豐富而深遠。1960年，第一臺激光器的問世標志著一個新時代的開啟，梅曼利用紅寶石晶體成功產生了相干光，這種新型光源具有前所未有的單色性、相干性和方向性，為科學研究和技術應用開辟了新天地。進入21世紀后，隨著半導體泵浦技術、光纖激光技術和超快激光技術的發(fā)展，激光技術迎來了新的飛躍。半導體泵浦技術提高了激光器的電光轉換效率，降低了制造成本。光纖激光器以其高功率、高穩(wěn)定性和緊湊的結構設計，成為工業(yè)加工的優(yōu)選。超快激光器則以其超短脈沖特性，在微納加工和生物醫(yī)學領域展現(xiàn)出巨大潛力。當前，激光技術正朝著更高功率、更高精度和更廣泛應用的方向發(fā)展。

隨著光纖激光器技術的快速發(fā)展，激光器的輸出功率、光束質量和電光效率不斷提高，為高功率綠光激光器的研發(fā)提供了技術基礎。非線性光學倍頻技術的發(fā)展，使得從紅外光纖激光器轉換到綠光激光器成為可能，提高了綠光激光器的輸出功率。在工業(yè)加工領域，高功率激光設備在航空航天、汽車制造、船舶制造等領域的切割、焊接、打標、測量發(fā)揮著重要的作用；在醫(yī)療應用領域，激光的精確性和控制能力使其在眼科手術、皮膚治療和其他醫(yī)療程序中得到廣泛應用。激光技術已經滲透到日常生活的方方面面，從工業(yè)制造到藝術創(chuàng)作，再到科學研究。隨著技術的進步，高功率激光器的研發(fā)使得激光在工業(yè)加工能力上得到顯著提升。

二、高功率、短波長激光的應用發(fā)展及優(yōu)勢

高功率綠光激光器的發(fā)展備受關注。連續(xù)光纖激光器由于其運轉模式連續(xù)及其波導式結構的特點，具有輸出激光能量均勻、高增益、高轉換效率、可實現(xiàn)超高功率輸出、光束質量較好、容易實現(xiàn)單模輸出和性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

激光與材料相互作用的原理是復雜多樣的，不同的激光參數(shù)（如波長、功率、脈沖寬度等）和材料特性會導致不同的相互作用效果。這些相互作用的結果在激光技術的應用中有著廣泛的利用，如材料加工、醫(yī)療治療、科學研究等。

銅材料是世界上應用最廣的金屬材料之一，在常溫條件下，如圖1所示，銅材對1064 nm波段的激光吸收率只有不到5%，而對532 nm的綠光的吸收率可以達到40%，相當于是近紅外波段激光的8倍。而銅材大量應用于鋰電、微電子等行業(yè)，目前工業(yè)界使用最多的是1064 nm波段的近紅外激光器，由于銅對1064 nm波段激光吸收率低從而會在加工過程中出現(xiàn)效率低、氣泡、飛濺等問題，而綠光激光用于銅等高反材料的切割、焊接、增材制造應用的效果比近紅外激光效果有明顯優(yōu)勢。因此實現(xiàn)高功率、高效率的連續(xù)綠光輸出成為激光器的研究熱點之一。

圖1 銅對不同波長的吸收率

引自《高功率連續(xù)綠光激光器的研究進展》

圖2表示了幾種典型粉末材料對不同波長激光的吸收率曲線圖。可以看出不同材料對不同波長激光的吸收率曲線不同。加工過程中材料吸收的激光能量可以轉化為熱能，導致材料局部溫度升高。這種熱效應在激光切割、焊接和熱處理等過程中非常重要，導致材料發(fā)生相變，如熔化、蒸發(fā)或升華。

圖2 典型粉末材料對各波長激光的吸收率

綠光激光器的一個重要應用是3D打印技術。在金屬3D打印領域，綠光激光器可以提高打印質量，實現(xiàn)純銅材料復雜結構的3D 打印，圖3為單模連續(xù)綠光光纖激光器純銅打印分析結果，設備集成商為希禾增材，采用公大激光推出的500 W單模綠光激光器作為打印光源。

圖3 單模連續(xù)綠光光纖激光器打印純銅（希禾增材）（致密度≥99.5%）

使用單模連續(xù)綠光光纖激光器作為光源，在打印純銅方面的應用是一個相對較新的技術領域，它利用了綠光激光器的光束特性來克服傳統(tǒng)激光技術在處理高反射材料時遇到的挑戰(zhàn)。由于純銅對綠光的吸收率遠高于對近紅外光的吸收率，使得綠光激光器在銅材料的加工上更為有效。另一方面，單模激光器產生的光束具有很高的質量和一致性，這對于精密加工至關重要，尤其是在打印純銅時，可以確保打印過程的精細度和一致性。

圖4 希禾增材XH-M160G 3D打印的純銅熱處理感應器

圖5 希禾增材XH-M160G 3D打印的純銅電機繞組

而在短波長激光器的開發(fā)中，紫外（UV）激光器和藍光激光器因其獨特的應用特性而備受關注。由于紫外激光波長較短，對材料的純度和光學特性要求極高，目前難以找到能夠承受高功率紫外激光的材料，市場上出現(xiàn)的超過百瓦的紫外激光器并不多見。藍光激光器雖然目前已有制造商實現(xiàn)了千瓦級的功率輸出，但在光纖合束前，藍光激光器需要進行空間合束，這一過程對激光光束的質量、穩(wěn)定性和功率分布有嚴格要求，與光纖激光器相比，藍光激光器的光束質量較差，這限制了其在某些精密加工應用中的性能。

另一方面，經過各國科研人員的努力，商用的綠光激光器近年取得較大的進展。德國通快集團(TRUMPF)于2021年推出高功率連續(xù)綠光碟片激光器TruDisk 3022，能夠提供多模3 kW的最高輸出功率，是目前綠激光系列中的最高功率，展示了其在銅材焊接方面的應用優(yōu)勢，但其價格非常昂貴。美國IPG公司于2022年推出了世界上第一臺千瓦級單模納秒脈沖綠光激光器GLPN-1000，可提供高達1 kW的平均功率，整機體積小巧，電光轉換效率高達25%，引起了產業(yè)界的廣泛關注。

三、世界上首臺近單模2千瓦連續(xù)綠光激光器

據(jù)市場研究公司Optech Consulting的最新報告顯示，2023 年全球材料加工激光系統(tǒng)市場規(guī)模估計為235億美元，同比增長4%。隨著高端制造業(yè)的發(fā)展，對高功率綠光激光器的需求不斷增長。

深圳公大激光，主要從事“先進短波長光纖激光器"和“激光精密加工解決方案”的研發(fā)、生產和銷售，是一家專注于中高功率短波長（綠光和紫外）全光纖激光器的研發(fā)、生產和應用方案的激光器公司。公大激光繼2022年推出的500 W單模綠光激光器和2023年推出的1000 W單模和3000 W多模連續(xù)綠光激光器之后，本次新推出最高輸出功率達到2千瓦近單模綠光光纖激光器，已得到終端相關行業(yè)客戶的測試驗證。公大激光，是全球第一家能夠提供2千瓦近單模連續(xù)綠光激光器產品的廠家。

圖6 近單模2千瓦連續(xù)綠光激光器產品

主要激光特性，測試結果如下：
（1）激光器基本參數(shù)

表1 激光器基本參數(shù)

（2）功率穩(wěn)定性，連續(xù)出光拷機12h，整機功率波動小于1.5%

圖7 12小時功率穩(wěn)定性測試曲線

（3）光斑能量分布測試

圖8 光斑能量分布測試圖

（4）光束質量測試

圖9 光束質量測試圖@2千瓦

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四、結語與展望

公大激光最新推出的近單模2千瓦連續(xù)綠光激光器，是全球最高平均功率的準單模連續(xù)光纖綠光激光器。該產品的推出，為高反材料的加工提供了更充足的能量，近單模輸出保證了激光光束的高質量和一致性，有望為厚銅材加工帶來的更高焊接質量、更高效率和熔深。全光纖基頻和腔外倍頻的結構，提供了高度的穩(wěn)定性和可靠性，同時保證了激光器的緊湊性和易集成性。隨著技術的不斷進步和市場的不斷成熟，我們有理由相信，高功率光纖綠光激光器將為社會帶來更多的可能性。

高功率綠光在銅材精密焊接上有著明顯優(yōu)勢，特別在電控的IGBT和扁線電機焊接上，具有熱影響小，飛濺小，拉力穩(wěn)定，良率高。

除了在銅等高反金屬材料焊接上有突出的物理特性優(yōu)勢；還在高精密、高效率銅材料3D打印上，有著巨大的應用潛力。

未來，公大激光將繼續(xù)努力，開發(fā)更多創(chuàng)新技術，進一步提高激光器的功率、效率和可靠性，同時降低成本，匹配更多重要的應用場景，為全球高端制造升級貢獻力量。