閱讀 | 訂閱
閱讀 | 訂閱
光纖激光器

從燈泵固體激光到光纖激光(一)

星之球激光 來源:光電社區(qū)2011-11-03 我要評論(0 )   

《激光世界雜志》2010年第四期光纖激光半導(dǎo)體激光一文說:第一臺高功率(燈泵)固體激光器問世時,有人曾預(yù)言CO2激光器將走向末日;當(dāng)?shù)谝慌_千瓦半導(dǎo)體(泵浦)激光器出...

    《激光世界雜志》2010年第四期“光纖激光&半導(dǎo)體激光”一文說:“第一臺高功率(燈泵)固體激光器問世時,有人曾預(yù)言CO2激光器將走向末日;當(dāng)?shù)谝慌_千瓦半導(dǎo)體(泵浦)激光器出現(xiàn)在市場上時,其也曾在很長一段時間被認為是激光發(fā)展的未來”。今天IPG公司推出幾千瓦級單模光纖激光器商品、德國通快公司世界上最著名的精密機床制造商,推出了8毫米毫弧度3千瓦DISK固體激光器,國內(nèi)有研究單位報道研發(fā)出30瓦單模端泵YAG激光器,200瓦單模YAG激光器,光纖激光器通過十一五的五年研究,至少有五家研究單位,研究出1000瓦光纖激光器。為什么說燈泵、半導(dǎo)體泵、光纖激光終究會取代CO2激光在激光加工市場的壟斷地位?現(xiàn)實的這些固體激光為什么又取代不了CO2激光?DPL激光、光纖激光技術(shù)又如何發(fā)展才有可能實現(xiàn)這種“取代”?上篇回答了第一個問題,確信了目前的這些固體激光不能取代CO2激光,中篇從理論上分別簡單分析了這些固體激光的結(jié)構(gòu),證明它們的確不能取代CO2激光,下篇從這些固體激光的結(jié)構(gòu)上的缺點,提出了新的固體激光器的結(jié)構(gòu),使這種“取代”有了些可能。

    全球激光加工市場統(tǒng)計數(shù)據(jù)告訴我們,激光加工銷售金額最多,對激光器的輸出功率、光束質(zhì)量要求最高的市場——激光切割平板金屬,仍然被軸向流動CO2激光壟斷。這個市場燈泵激光器的銷售金額遠比DPL激光、光纖激光高,軸流CO2氣體激光器和燈泵固體激光器仍然是高功率、高端激光加工應(yīng)用的主流激光器。光纖激光器連燈泵激光器都不能取代,更取代不了CO2激光器了。

一、在激光加工應(yīng)用中,單模高功率固體激光理論上將取代軸流CO2激光

    單模固體激光器的波長1.06微米比CO2激光器10.6微米小了10倍,如果一臺1000瓦固體激光器和1000CO2激光器同是單模,會聚光斑直徑相同時,固體激光的束散角比CO2激光小10倍,固體激光的瑞利長度r 要比CO2激光的長10倍。切割同樣材料的鋼板,固體激光器的錐度要好,而且切割深度更深。如果固體激光選擇會聚光斑直徑比CO2激光小一倍,瑞利長度比CO2激光長五倍,功率密度增加4倍,這樣無論在切割錐度、速度和深度上都應(yīng)該遠優(yōu)于CO2激光器。

    再來考慮美國波音公司的機載激光武器,它使用的是氧碘激光器,功率2兆瓦,發(fā)射天線直徑1500毫米,目標摧毀400公里外的起飛段的彈道導(dǎo)彈。我們可以推導(dǎo)出下面的公式:



p=1.27*P0*
( D0)2/(d0*α)2 /L2
(一)

公式中,d0激光束的束腰直徑,α是激光束的發(fā)射全角,P0激光輸出功率;D0發(fā)射物鏡有效通光孔徑,L是物鏡到會聚點的成像距離,d是會聚光斑直徑。p是會聚光斑的功率密度,單位瓦/(平方厘米)2。

下面我們分別計算單模氧碘激光器(波長1.315微米)、固體激光器(波長1.06微米)、CO2激光器(波長10.6微米)在100公里處的會聚光斑直徑和2兆瓦單模激光功率密度:

氧碘激光:直徑110毫米,功率密度2.1萬瓦/平方厘米;

固體激光:90毫米,功率密度3.1萬瓦/平方厘米;

CO2激光:900毫米,功率密度310瓦/平方厘米。

一臺激光器用于激光加工或激光武器,并不取決于激光輸出功率,而是取決于它的亮度,即:

P0/(d0*α)2(單位:瓦/(毫米*毫弧度)2)

從理論上說,一臺30瓦單模固體YAG激光器,相當(dāng)于單模3000瓦的CO2激光器,16.46瓦/(毫米*毫弧度)平方 ;一臺200瓦的單模YAG激光器,相當(dāng)于20千瓦CO2單模激光器,110瓦/(毫米*毫弧度)平方;一臺1000瓦的單模光纖激光器,相當(dāng)于100千瓦的單模CO2激光器,550瓦/(毫米*毫弧度)平方。從這個角度出發(fā),IPG和通快的激光器在激光加工領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)該是完全可以取代CO2激光器了,而且使激光加工水平躍上一個新的水平,帶來一場激光金屬切割領(lǐng)域的革命(目前單模CO2激光器在3000瓦水平),事實是否定的!

二、從全球激光加工銷售數(shù)據(jù)分析,高功率單模固體激光器仍然沒有實現(xiàn)

根據(jù)ILS的報道,2010年工業(yè)激光市場激光器總銷售近15億美元激光器,其中CO2激光占53%、固體激光占27%,光纖激光占16%。

工業(yè)激光主要使用在材料加工、半導(dǎo)體和微電子制造、激光打標和其它應(yīng)用等四個領(lǐng)域。其中材料加工10.6億美元,占71%;激光打標1.8億,占12%;激光用于半導(dǎo)體和微電子制造1.5億美元,占10%;其它應(yīng)用7%。

材料加工的10億美元,CO2激光占68%,固體激光占21%,光纖激光占11%。65%的銷售金額6.5億美元以上是激光切割創(chuàng)造的。激光切割對激光器的要求最高,不僅需要高功率、也需要高光束質(zhì)量。

CO2激光7.89億的銷售其中7.29億是用在材料加工的,固體激光在激光材料加工中的份額是2.24億美元,光纖激光其僅有1.15億美元。

2009年金融危機以來LFW就不提供詳細的各類激光器在工業(yè)激光市場的詳細銷售數(shù)據(jù),我們可以以2008年一月LFW發(fā)布的數(shù)據(jù)進行分析,詳見表二。

來自ILS2008年第一期的數(shù)據(jù),軸流高功率CO2激光器2007年銷售了5500臺,平均每臺銷售價格是16萬美元;燈泵固體激光器的銷售逐年下跌,但是銷

售金額總量仍然遠高于光纖激光器和半導(dǎo)體泵固體激光器,平均價格是6.4萬/臺;在軸流CO2激光,燈泵激光,半導(dǎo)體泵激光,光纖激光中,光纖激光器銷售數(shù)量最高,2007年在工業(yè)激光市場,銷售了6325臺,總金額是1.34億美元,平均價格3萬/臺。#p#分頁標題#e#

根據(jù)以上的數(shù)據(jù),光纖激光器的市場占有率增加的非???,但是在高功率單模應(yīng)用中就不是這樣了,2003年IPG報道了第一臺1000瓦單模光纖激光器,隨后千瓦級單模光纖激光器的商品就出現(xiàn)了,直至今日市場上并沒有出現(xiàn)那種預(yù)期。盡管IPG報道的單模光纖激光器輸出功率一再上升,他們報道的用光纖激光器切割的技術(shù)數(shù)據(jù),只能說和CO2激光器相當(dāng)。據(jù)2011年第一期的LFW報道,只有65臺高功率光纖激光器用于切割應(yīng)用的記錄,用于激光金屬切割,每年銷售幾千臺的CO2激光切割機,這就給IPG的千瓦級光纖激光器是不是單模打了問號。

表一、來自ILS2007年全球工業(yè)激光銷售數(shù)據(jù)


 

激光類型


 

2007


 

2008


 

2009 -37


 

2010


 

2011


 

CO2



 

總金額


 

1056


 

1091


 

669


 

789


 

907 15


 

材料


 

990


 

621


 

729


 

839 15


 

半導(dǎo)體


 

13


 

10


 

18


 

20 11


 

打標


 

21


 

16


 

18


 

20-11


 

其它


 

23


 

23


 

24


 

38 -17


 

固體


 

總金額


 

449


 

394


 

340


 

397


 

450 13


 

材料


 

235


 

208


 

224


 

244 9


 

半導(dǎo)體


 

43


 

36


 

67


 

86 28


 

打標


 

71


 

62


 

66


 

71-15


 

#p#分頁標題#e#其它


 

44


 

34


 

40


 

49 23


 

光纖


 

總金額


 

189


 

213


 

169


 

239


 

290 21


 

材料


 

114


 

85


 

115


 

138 20


 

半導(dǎo)體


 

13


 

10


 

18


 

22 20


 

打標


 

74


 

67


 

92


 

114-24


 

其它


 

12


 

7


 

14


 

17 23


 


 


 


 


 


 

總金額


 

1694


 

1758


 

1231


 

1495


 

1727


 

表二、2005年——2007年工業(yè)應(yīng)用激光器銷售數(shù)據(jù)(來自LFW雜志)


 


 

密封CO2激光


 

流動型CO2


 

燈泵固體激光


 

半導(dǎo)體泵固體激光


 

光纖激光


 

2007


 

19050


 

5500


 

4890


 

4915


 

6325


 

93百萬美元


 

963百萬美元


 

315百萬美元


 

134百萬美元


 

189百萬美元


 

2006


 

18000


 

3800


 

5596


 

4625


 

5275


 

88百萬美元


 

608百萬美元


 

346百萬美元


 

102百萬美元


 

144百萬美元


 

2005


 

76490


 

3450


 

5850


 

5675


 

3475


 

82百萬美元


 

552百萬美元


 

367百萬美元


 

111百萬美元


 

91百萬美元


 
#p#分頁標題#e#

 

轉(zhuǎn)載請注明出處。

暫無關(guān)鍵詞
免責(zé)聲明

① 凡本網(wǎng)未注明其他出處的作品,版權(quán)均屬于激光制造網(wǎng),未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用。獲本網(wǎng)授權(quán)使用作品的,應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使 用,并注明"來源:激光制造網(wǎng)”。違反上述聲明者,本網(wǎng)將追究其相關(guān)責(zé)任。
② 凡本網(wǎng)注明其他來源的作品及圖片,均轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不代表本媒贊同其觀點和對其真實性負責(zé),版權(quán)歸原作者所有,如有侵權(quán)請聯(lián)系我們刪除。
③ 任何單位或個人認為本網(wǎng)內(nèi)容可能涉嫌侵犯其合法權(quán)益,請及時向本網(wǎng)提出書面權(quán)利通知,并提供身份證明、權(quán)屬證明、具體鏈接(URL)及詳細侵權(quán)情況證明。本網(wǎng)在收到上述法律文件后,將會依法盡快移除相關(guān)涉嫌侵權(quán)的內(nèi)容。

網(wǎng)友點評
0相關(guān)評論
精彩導(dǎo)讀