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锐科为何要打造更高的激光器标准体系

阅读量: 217次 发布时间:2023-10-04 14:11:56

  在20kW以上的超高功率激光器(切割版)中,为实现用户良好的适用度,锐科根据大量的客户端使用数据,与主流切割头厂商进行了多次技术交流和测试实验,在目前通用的行业和国际标准之上,制定了更高的企业标准,实现了系统级别匹配,达到切割效果和效率的全面提升。

  针对超高功率激光器,单纯的做到纤芯输出并不能够实现较好的应用,只有纤芯与M2完成匹配,才能实现更好的应用效果。

  若整机素质一般,单纯的缩小纤芯,光束质量(M2或BPP)却无法随之缩小,则极难达到较为理想的切割效果。以100μm输出的20000W激光器为例,考虑到较佳的切割效果和厚薄板兼容效果,最佳的M2应该在11附近。

  我们从20kW—60kW限定推出100μm—150μm纤芯输出,并严格限制M2范围,使得切割工艺的调整可以从低功率到高功率切割工艺可以一脉相承,同型号机型之间的差异性较小。

  M2只是表征86.5%的能量分布,但其只适合描述单模或者近单模激光器。而针对多模激光器,其能描述的光束性质有限,锐科在此光束质量的基础上,开创性地提出全能量发散角的概念——采用99.84%描述对全能量发散角的新企标。

  而正是因为锐科该项标准的推出,使得来自锐科的20kW-60kW激光器,杜绝了常规激光器有可能会出现的上保护发热(频繁烧),准直发热,上保护散射光值大,光阑烧,喷嘴发热等痼疾。正是因为严苛的标准,使得锐科高功率光纤激光器在市场上一骑绝尘,实现了国内出货量第一。

  锐科制定全能量发散角标准的原因是,市场上大部分高功率切割头的光学孔径都是0.13附近,这就需要光阑对准之前激光光进行限制,被限制的光一般俗称外围光或杂散光,而一旦外围光(杂散光)功率过高,其实就是激光的全能量发散角太大,这时候极容易造成光阑烧毁;甚至由于光阑边缘的衍射作用,一部分杂散光会照射到准直上,产生严重热透效应,使得切割不稳定。

  图4展示了采用锐科标准后的光路示意图,激光器完全通过光阑,杂散光或外围光比例极小,使得切割系统处于稳定状态。

  因为市场对大幅面、大厚度板材高效率加工需求的提高,激光器整机功率也随之提高,同时传输光缆中传能光纤纤芯减小,长度增大,这带来的是非线性、受激拉曼散射的提高。如果激光器本身的SRS效应较高,它的稳定度也大幅度较低,换而言之,更容易受到环境,外光路的扰动。

  我们结合实际经验,针对高亮度激光器提出了属于锐科的标准,不论纤芯大小,光缆长度多少,激光器功率多高,都要求整机满功率出光其SRS效应必须在30dB以上,避免激光器寿命短,易烧毁,长时间切割不稳定等问题。

  每一项标准都具有独立性,不能因为达到某一项标准,而妥协其他项标准。部分友商因为光缆长度的增加,妥协光束质量或者纤芯大小,导致应用工艺效果不同,工艺通用性大幅度减弱。

  部分友商为维持小纤芯输出,但合束能力有限,导致最终输出M2超标或全能量发散角超标。

  部分友商因为光缆长度的增加,妥协非线性,导致系统高功率下稳定性大幅度降低,机器寿命大幅度降低,包括切割头在内的整个光路系统随时处于崩溃状态。

  锐科出品的超高功率激光器,采用100μm—150μm输出的20kW,30kW,40kW,我们不会因为光缆长度提高,功率提升,而妥协任何标准。

  我们不做光缆在20m以下的产品,过短的光缆,功率再高,对于日益加大的板材毫无意义。

  锐科推出的20kW—60kW高品质激光器常规光缆配置长度为20m—40m,可定制更长。

  锐科针对高亮度20kW—60kW 指定了严苛的企标,为实现这个标准,依靠了锐科多年的技术积累,并自2021年起实现一系列的技术突破,其中具体包括了:

  优秀的合束和模块性能,可维持小纤芯高光束质量输出。锐科通过对模块性能的提升、高光束质量功率合束器研制以及模式控制技术的研究,实现输出光斑的匀化分布和光束质量BPP的精准控制。

  2、全能量发散角主动控制技术(锐科内部标号A, Active control of divergence)我们通过开发出一种全能量发散角压缩器,通过对纤芯光进行调制,实现输出光全能量发散角的压缩。

  图 8 30kW激光器主动控制前后,超标(红色)和合格(灰色)发散角对比

  拉曼抑制器,通过倾斜布拉格光栅对模块产生的拉曼种子进行滤除,阻止拉曼种子在无源传能部分中的放大,同时隔离传能部分和外光路对模块的拉曼反馈。但是拉曼光栅目前也存在一定的问题,为实现深的滤除带宽,需要大啁啾率和大的长度,此时要求刻写难度和成本大幅度提升,而增大滤除比,需要加大调整深度,这会导致损耗增大,甚至影响光束质量。

  因此锐科基于以上弊端,采用了级联倾斜光栅,通过串联2个倾斜光栅,实现较宽的滤除效果和较低的成本,从而维持模块较低的非线 双栅级联型拉曼抑制器

  锐科激光300747)60kW激光器自2023年推出以来,因其优异的切割优势备受市场关注。我们将60kW激光器与40kW、30kW激光器空气切割不锈钢不同厚度的切割速度作对比,由图10可知,60kW激光器在中厚板切割速度上相比其他二者具备很明显的优势,尤其是50mm以上厚度的不锈钢板材。

  进入2023年后,锐科认为工业光纤激光器的发展不仅仅再是单纯的功率的提高,毕竟锐科在2021年就完成了100kW激光器的研制。今后万瓦以上激光器的发展,应该是激光器素质的全面提升。为此,锐科激光始终致力于激光器的技术突破和产品创新,积极打造更高标准的质量体系,为全球客户提供更高品质的光纤激光器产品,并推动国产激光器产业高水平质量的发展。

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