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超快激光器正在向宏觀加工領域邁進

來源:激光世界    關鍵詞:超快激光器, 激光技術, 光纖激光器,    發布時間:2019-08-19

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圖1 德國弗勞恩霍夫激光技術研究所所長Reinhart Poprawe,一直在為他的數字光子生產愿景而努力工作。(來源:弗勞恩霍夫ILT)

你還記那些復雜的超快激光器裝置和很難對準的研究系統嗎?然而在過去的二十年中,超快激光技術取得了令人難以置信的進展。正如Amplitude Systèmes公司總裁兼CEO Eric Mottay在今年的UKP研討會上所言,超快激光器的輸出功率已經增長了1000倍,最為重要的是,它們已經演變成了更加易于使用的工業級一體機。現在是時候可以把它們集成到各種機器中了。

在德國亞琛舉辦的UKP研討會是一個小型專家會議,專注于探討超快激光器的工業應用。UKP是德語“Ultrakurzpuls”的縮寫,即超短脈沖。UKP研討會每兩年舉辦一次,2019年的會議吸引了來自14個國家的170名參與者。為期兩天的會議,主要探討超快激光技術的最新發展及應用。

有人可能會認為,關于超快激光器的所有問題早已討論過,但是去年,弗勞恩霍夫學會的研究人員宣布了他們的卓越集群“先進光子源”——它可能是一個顛覆性的項目。正如該項目的一位發言人Dieter Hoffmann所證實的那樣,他們希望將超快激光器的功率提高到目前用于切割和焊接的連續波(CW)激光器的水平。換句話說就是,超快激光器將走向宏觀加工領域!

在這件事上,他們是認真的。他們從光纖激光器系統中產生3.5 kW的功率輸出后,最近又從板條激光系統中產生了功率500 W、脈寬30 fs的輸出。研究人員希望在今年晚些時候在德國亞琛和耶拿建立兩個應用實驗室,用他們的多千瓦級激光器測試新的工藝技術。

UKP研討會只是簡單地談到了哪些應用真正需要功率達數千瓦的超快激光。目前已經有了第一批應用,這些應用顯然可以很好地通過高功率超快激光器來實現。

激光機床公司Schepers的Stephan Brüning舉了一個例子。他使用一臺500 W的超快激光器來處理印刷滾筒。幾年前,他使用四個單獨的激光器來提高效率;但現在,他利用新系統將單一的高功率光束分成了16個光束,每個光束都由聲光調制器控制。對于1:16的分束,他使用的是衍射光學元件。同樣,弗勞恩霍夫ILT的Oskar Hofmann也已經使用相同的技術,從一個光源中產生了近200個相同的光束。這里的主要挑戰是在不引入空間畸變的情況下,使所有這些光束通過光學元件。

用于數字生產系統的超快激光器

弗勞恩霍夫激光技術研究所所長Reinhart Poprawe,始終為他的數字光子生產愿景而努力工作。他經常說,激光是全數字化工作流程的完美工具。但是對于超快激光來說,這種說法還現實嗎?

EWAG AG公司的Claus Dold舉了一個例子——用超快激光制造硬質合金鉆頭和金剛石鉆頭。他使用的機器是全自動化的,只需要提供鉆頭的幾何數據。機器自己會選擇合適的激光參數,并產生出一套鉆頭。對于直徑在0.5~3mm之間的鉆頭,激光加工的效率高于其他工藝。作為一個全數字系統,它正準備登上全球市場這一更大的舞臺。

即使這樣的系統證明了用超快激光器高效生產的可行性,但仍然存在許多挑戰正在解決。可喜的是,用于高重復頻率或大量光束的掃描技術正在迅速提升;通過分離微觀和宏觀水平,模擬工具得到了改進;甚至用于傳輸超快激光的光纖現在也可以使用了。

然而,制造一臺使用超快激光器的機器,需要非常詳細的激光與物質相互作用的知識。除了激光束保護之外,還有一個新的安全問題隨之出現,即超快脈沖撞擊金屬會產生有規律的離子輻射。

圖2 2019年的UKP研討會是在德國亞琛的一個足球隊的休息室舉辦的,但是本次活動已經超出了休息室的范圍,預計2021年4月21-22日舉辦的下一次UKP研討會,很可能會移師到更大的場所。(來源:弗勞恩霍夫ILT)

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