碟片激光器（Disk Laser）設計理念的提出，有效地解決了固體激光器的熱效應問題，實現了固體激光器高平均功率、高峰值功率、高效率、高光束質量的完美結合。碟片激光器在汽車、船舶、鐵路、航空、能源等領域成為不可替代的新型加工用激光光源，目前全球僅有德國Trumpf公司具有生產高功率碟片激光器的技術，最高功率達到16千瓦，光束質量達到8毫米毫弧度，實現了機械手的激光遠程焊接和大幅面激光高速切割，為固體激光在高功率激光加工領域開辟了廣闊的應用市場。
相比于光纖激光器，碟片固體激光器還具有以下優勢：
（1）超薄的晶體封裝結構（100-300μm）和高效的熱管理技術使得碟片固體激光器的熱效應極大的降低，保證高光束質量激光的輸出。在維持泵浦功率密度一定的條件下，通過擴大泵浦增益區的面積或采用簡單的級聯方式，實現更高功率連續激光的輸出（目前單碟實現5千瓦的激光器，4碟串聯實現16千瓦的激光輸出）。
而光纖激光器由于光纖芯徑的限制，如功率太高會出現非線性效應，所以，現有的4千瓦光纖激光器都是有4個1千瓦的光纖激光器非相干合成而獲得的。
（2）碟片激光器可以獲得高峰值功率脈沖激光輸出，有利于獲得可見光和紫外光的激光束。
（3）碟片激光器分離器件的設計方案和增益介質的增益飽和特性，無背向反射光的產生，不會對光學器件或膜層造成損傷（光纖激光器不可回避的技術問題），利于更高功率激光的輸出。
（4）在工業應用中，碟片激光器為分立元件構成，如有損壞，可現場更換相應元件，成本較低，維修時間短；而光纖激光器所有元件都由光纖焊接在一起，如出現損壞，則需返廠維修，更換所有光纖元件，成本較高，維修周期較長。
因此，高端工業激光器知名企業德國Trumpf將高功率碟片固體激光器作為公司主推的核心產品，其推出了一系列碟片激光器產品及相關成套工業應用設備。其激光器功率范圍涵蓋1千瓦至16千瓦，成套加工裝備包括碟片激光切割裝備、碟片激光三維焊接裝備、碟片激光遠程焊接裝備、碟片激光三維加工中心等。其產品應用于高速切割、焊接、打孔等工業加工領域。因其具有加工速度快、精度高、使用方便、可靠性強，并能完成多種其他激光器難以勝任的高難度加工任務，尤其是得益于碟片激光器特殊的光學結構、合適的波長，其在有色金屬等高反射材料加工方面優勢明顯。
國內在“十一五”期間，華中科技大學與俄羅斯合作進行了“高功率碟片固體激光器的研究”項目，通過近五年的攻關，建立了高功率碟片激光器研發平臺，驗證了雙拋物面共軛成像多次泵浦碟片晶體的新方法，實現了單碟1千瓦，五碟4千瓦的碟片激光器原理樣機（圖1為4千瓦碟片固體激光原理樣機出光現場）。使中國成為第二個擁有自主知識產權高功率碟片激光器的國家，但該原理樣機和工業激光器產品間還存在較大差距。
圖1 4千瓦碟片激光器原理樣機出光現場
梅曼科技承擔的2千瓦碟片激光器及其成套裝備產業化項目旨在針對2千瓦碟片固體激光器的碟片晶體高效冷卻技術、泵浦勻化技術、綜合熱管理技術、串接諧振腔技術、光纖耦合技術等多項關鍵基礎技術進行深入研究，提供高功率碟片激光器工程化成套解決方案，實現8毫米毫弧度、2千瓦激光的穩定輸出，實現2千瓦碟片固體激光器的規模化生產。
在開發出2千瓦光纖耦合輸出碟片固體激光器基礎上，該項目將進一步開發2千瓦光纖耦合碟片激光切割設備、2千瓦光纖耦合碟片激光焊接設備。切割速度：15米/分（1毫米厚鋼板），焊接速度：4.5米/分（1毫米厚鋼板）。
在項目研發成功后，梅曼科技有限公司準備學習德國Trumpf激光的市場運行策略，不直接銷售高功率碟片固體激光器，而是銷售基于高功率碟片固體激光器的切割和焊接系統，靠擁有核心技術，獲取相應的激光切割和焊接的經濟和社會效益。
通過“2千瓦碟片激光器及其成套裝備的產業化”項目的實施，將在華中科技大學激光加工國家工程研究中心建成系列碟片激光器原創性研發基地，該基地將具備3千瓦至8千瓦碟片激光器、數百瓦調Q脈沖碟片激光器、綠光碟片激光器和皮秒碟片激光器的研發能力；將在梅曼科技有限公司建成系列碟片激光器及其切割、焊接系統的工程化創新基地。該基地將承接華中科技大學激光加工國家工程研究中心系列碟片激光器原理樣機的工程化研發任務，具備相應的工程化設計、加工能力；將在武漢梅曼科技有限公司建成2千瓦光纖耦合碟片激光器、2千瓦光纖耦合碟片激光切割機、2千瓦光纖耦合碟片激光焊接機中試生產基地。
二、項目目標及主要研發內容
1、主要目標（項目目標的涵蓋范圍要與項目名稱相對應；目標應該明確具體，在2～3年內能夠完成）。
在項目執行期內完成2千瓦碟片固體激光器的工程化和中試生產，并基于該固體激光器開發光纖耦合碟片激光切割裝備和光纖耦合碟片激光焊接裝備（包括相關切割與焊接工藝研究）。最終實現2千瓦碟片固體激光器、2千瓦光纖耦合碟片激光切割設備、2千瓦光纖耦合碟片激光焊接設備，實現高質量的切割與焊接。
1.1、具體技術指標：
（a）碟片激光輸出功率：2000W
（b）激光功率穩定度：2%
（c）激光光束質量：BPP≤8毫米·毫弧度
（d）激光連續工作時間：8小時
（d）切割速度：15米/分（1毫米厚鋼板）
（e）焊接速度：4.5米/分（1毫米厚鋼板） 1.2、預期成果
（a）鑒定成果2-3項。
（b）發明專利2-3項
（c）填補國內2千瓦光纖耦合碟片激光器產品空白。
（d）填補國內2千瓦光纖耦合碟片激光切割機產品空白。
（e）填補國內2千瓦光纖耦合碟片激光焊接機產品空白。
2、研發內容（包括項目主要研發內容，項目技術關鍵和項目主要創新點）。
2.1、研發內容及關鍵技術
為有效回避現有碟片固體激光器專利的種種壁壘，開發出具有自主知識產權的2千瓦光纖耦合碟片激光器以及相關成套設備，從設計源頭出發，采用具有自主知識產權的“共軛雙拋物面多程泵浦系統”的新型碟片激光器技術，開展全面系統研究，具體研究內容如下：
（a）高強度、高穩定性碟片激光器機械結構設計和制造#p#分頁標題#e#
從穩定性和可靠性的角度出發，對2千瓦碟片固體激光器的半導體泵浦單元、泵浦光傳輸與多程傳輸單元、冷卻單元、光學諧振腔單元以及系統基本架構進行穩定性與形變（熱形變、機械形變）分析，設計出高穩定性、高可靠性的機械結構和光學結構。
（b）高功率激光器光腔密封及空氣冷卻循環的設計與實現
2千瓦碟片固體激光器激光振蕩光路的密封問題以及熱輻射引起光路中熱空氣的擾動是影響激光輸出穩定性的主要因素之一，采用流體熱力學的大型分析軟件模擬熱空氣對激光穩定的影響，設計優化的密封和空氣循環系統，實現穩定的激光輸出。
（c）碟片激光器激光電源及控制系統的設計。
研發滿足2千瓦碟片固體激光器工業化應用的大電流工業電源，在提供必要能量注入的同時，對高功率半導體泵浦模塊、碟片激光器冷卻系統的流量進行實時監測和反饋，確保碟片激光器內核心部件的安全可靠運行。（d）碟片激光器光纖耦合技術；
將輸出的激光經光束變換后耦合到工業光纖中，實現碟片激光器的光纖輸出，便于柔性加工和智能化運行，重點解決光纖耦合過程中耦合效率和光纖端面的冷卻技術。
（e）碟片激光器智能化控制系統
對碟片固體激光器的輸出功率、電流、溫度、濕度、冷卻水質閉環反饋控制系統，故障自動報警系統，相應輸入輸出接口、用戶控制界面的設計與實現碟片固體激光器系統的智能化運行。
（f）2千瓦光纖耦合碟片激光器切割系統及切割工藝
針對2千瓦光纖耦合碟片激光器開發相應的激光切割系統（機器人的三維切割）并進行切割工藝的研究建立專業的切割數據庫。
（g）2千瓦光纖耦合碟片激光器焊接系統及焊劑工藝
針對2千瓦光纖耦合碟片激光器開發相應的激光焊接系統（機器人的三維切割）并進行焊接工藝的研究建立專業的焊接數據庫。
2.2、項目的主要創新點
（a）系統設計和開發高穩定性、高可靠性的機械結構和光學結構。
采用流體力學+熱力學的耦合分析模型對高功率碟片固體激光器的各個核心部件進行全面的優化設計，尤其對多陣列沖擊冷卻單元所引起的微變形問題進行在設計以提高系統的穩定性和可靠性，使本項目的主要創新點之一。
（b）深入分析熱空氣的擾動對碟片固體激光器輸出穩定性的影響
由于碟片固體激光器的特殊結構導致其核心光學元件的熱輻射引起的周圍熱空氣的流動對輸出激光的穩定性影響較大，采用動態空氣流動技術以減少上述因素的影響，提升激光輸出的穩定性。
（c）碟片激光器激光電源及控制系統的設計
采用恒壓源的設計方案，經多級診斷對所驅動LD高功率模塊的運行狀態進行檢測，并同時分析模塊流量、離子度等核心指標保證LD激光模塊的安全可靠運行。三、項目綜合分析
2千瓦光纖耦合碟片激光器、2千瓦光纖耦合碟片激光切割機、2千瓦光纖耦合碟片激光焊接機的研發成功，將使梅曼科技有限公司成為全球第二家、中國唯一一家擁有高功率碟片激光器及其應用系統核心技術的企業，將在近5年內獨享高功率碟片激光器及其應用系統的市場。
從世界范圍內激光加工行業的格局分析，截至2011年底，大功率激光切割成套設備在歐洲安裝有13000臺，北美安裝有12000臺，日本安裝有10000臺，我國臺灣安裝已超過500臺。中國大陸年進口2千瓦光纖激光器自行裝配的固體激光切割機，年銷售約500臺。以高切割速度、高精度和大切割幅面為特征的高端數控激光切割成套設備的需求量日益增加，具有廣闊的市場空間和產業化應用前景。武漢梅曼科技有限公司的高功率碟片固體激光切割機，將以全球最優的性能價格比，站住激光切割機高端市場優勢地位。
據我國鋼鐵行業協會的不完全統計，在未來10年中，我國鋼鐵行業需要更新或者新建的激光焊接機組大約為70～100臺。以平均每臺進口價格5500萬元人民幣計算，共需要花費人民幣40～55億元人民幣。如果采用自主研制的國產激光焊接成套設備，即使在目前條件下高功率萬瓦激光器采用進口設備，每臺售價可以控制在進口價的40%～60%，可以直接節約人民幣16～30億元。如果考慮到本課題完成后，繼續開發出國產8千瓦碟片激光設備逐漸取代進口激光設備，可以節約的經費將更加巨大。更為重要的是，這可以作為我國激光加工高端裝備在冶金行業應用的示范點，帶動激光加工設備向其它應用領域發展。優良的性能/價格比還可以有利于激光焊接成套設備向海外市場進軍，成為我國高技術出口的重要案例。
本設備的另一個重要意義就是帶動我國高功率固體激光器件的發展。當前，我國高功率固體激光器的功率水平一直在1千瓦左右徘徊。通過本項目的研發，可以促進我國萬瓦級高功率固體激光器走向工程化，研究成果還可以向船舶制造、飛機制造、機車車廂制造等行業轉化，具有明顯的帶動作用。課題的研究成果還可用于薄板的重卷機組、鍍鋅板和鍍錫板的焊接機組等，全面阻擊國外同類焊接設備向我國冶金行業的滲透，產生更大的社會、經濟效益。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
