【導(dǎo)讀】高反射材料的激光加工在目前的制造環(huán)境和市場應(yīng)用中至關(guān)重要，然而很多類型的激光技術(shù)都由于對回返光的固有敏感而受到影響，導(dǎo)致在加工過程中出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定和破壞性自動(dòng)關(guān)機(jī)現(xiàn)象，甚至還會(huì)對激光器造成永久性損害。
（圖片說明：nLIGHT altaTM工業(yè)光纖激光器）
大部分千瓦級光纖激光器采用的是以熔融光纖耦合器合束多路低功率光纖激光器輸出為基礎(chǔ)的架構(gòu)，因而在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性上都存在缺陷。更重要的是，在本文背景下，光纖激光器和耦合器模塊可能由于材料處理期間發(fā)生的回返現(xiàn)象而易于出現(xiàn)不穩(wěn)定或損壞。
nLIGHT altaTM光纖激光器采用了新型架構(gòu)，通過將泵浦二極管和驅(qū)動(dòng)器合并在獨(dú)立的泵浦模塊中，以及將增益光纖安裝在可配置的增益模塊中，可實(shí)現(xiàn)>4kW的輸出激光并且解決了這個(gè)問題。
（圖片說明：nLIGHT altaTM激光器的設(shè)計(jì)在激光器與傳輸光纖之間集成了一個(gè)返射隔離器）
此增益模塊中含有一個(gè)可靠的，可集成的回返光隔離器，可以保護(hù)所有模塊免受工件返射光影響，而做到穩(wěn)定、不間斷加工高反射材料。這個(gè)部件已經(jīng)通過壽命測試并在客戶實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中得到了驗(yàn)證。使用恩耐光纖激光器的用戶都已成功具備了處理包括銅、金、銀和高度拋光金屬等各種高反射材料的能力。在談及這些結(jié)果時(shí)， 客戶稱這是他們首次體驗(yàn)了滿功率，不間斷地加工高反射材料，絲毫未對設(shè)備造成暫停或損害。
回返隔離
因?yàn)楣ぜ砻娴牟灰?guī)則、與表面法線對齊不精確以及處理光學(xué)元件采光角度的限制，典型的回返激光通常只占一小部分激光器的功率，此外，回返現(xiàn)象通常持續(xù)時(shí)間很短，例如打孔這樣的應(yīng)用。但是，部分光纖激光器的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致難以處理甚至無法處理反射材料。回返造成的損傷通常是由于光功率在聚合物材料上能量堆積而導(dǎo)致過熱或燃燒引起的。nLIGHT altaTM光纖激光器會(huì)剝除耦合到饋送光纖的回返光，并將其引導(dǎo)到水冷光束吸收器，激光在此被轉(zhuǎn)換為熱量，不涉及任何聚合物，從而消除了主要的損壞原因。無聚合物的隔離器旨在連續(xù)吸收消除>500 W的回返激光，如壽命測試所示。
（圖片說明：在>500W連續(xù)消除回反光的條件下，數(shù)千小時(shí)的連續(xù)穩(wěn)定性壓力測試中并無任何運(yùn)行不穩(wěn)定的跡象；以3kW nLIGHT altaTM光纖激光器快速連續(xù)執(zhí)行4000次打孔的客戶測試，無處理中斷或打孔失敗。）
我們評估了隔離系統(tǒng)在打孔應(yīng)用中的性能，其中最高回返信號(hào)發(fā)生在激光切割期間。在測試中，成功處理了4000 例銅材料連續(xù)打孔，沒有中斷或打孔失敗的情況。與我們的回返隔離器所提供的基于硬件的穩(wěn)定保護(hù)相反，部分光纖激光器采用了在出現(xiàn)回返時(shí)會(huì)導(dǎo)致激光器無法使用的軟件保護(hù)。軟件方法可以保護(hù)激光器，但是也妨礙了連續(xù)的材料加工。
通過光電探測器可監(jiān)測被吸收在隔離器中的回返光。此傳感器的實(shí)時(shí)輸出可供用戶用于生產(chǎn)監(jiān)測、優(yōu)化和控制，例如打孔監(jiān)測或包括光束位置和焦點(diǎn)等的工具校準(zhǔn)。
（圖片說明：在進(jìn)行不銹鋼、鋁和銅金屬板打孔時(shí)從工件返射的激光信號(hào)示例。）
高返射切割結(jié)果
金屬板材切割是千瓦級光纖激光器的最大市場。汽車、航空航天、電子工業(yè)（例如輕質(zhì)材料與鋰離子電池電芯等）的應(yīng)用正逐漸轉(zhuǎn)向采用包括不銹鋼/鏡面不銹鋼、鋁、黃銅、銅、銀和金等在內(nèi)的高反射材料。
很多這些材料由于其打孔時(shí)產(chǎn)生的高返射現(xiàn)象，在加工時(shí)，都極具挑戰(zhàn)性。然而，采用恩耐新型光纖激光器后，尚未發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定或故障的現(xiàn)象。目前，采用3 kW光纖激光器的最大切割厚度為12 mm（不銹鋼、鋁、黃銅）以及10 mm（銅）。切割速度與質(zhì)量等同或優(yōu)于其他光纖激光器能達(dá)到的程度，且不斷進(jìn)行工藝優(yōu)化，增加切割厚度、提高切割速度并改善邊緣質(zhì)量（圖5）。
（圖片說明：不銹鋼、鋁、黃銅、紫銅）
高返射焊接結(jié)果
nLIGHT altaTM光纖激光器也已經(jīng)成功應(yīng)用于低碳鋼、不銹鋼、鋁、黃銅和銅材料的焊接。焊接通常會(huì)產(chǎn)生比切割程度更高或持續(xù)時(shí)間更長的回返現(xiàn)象，然而即使以法線入射焊接，也沒有出現(xiàn)激光器不穩(wěn)定或損壞的情況。下圖所示為銅焊接示例，這是非常有難度的應(yīng)用，已經(jīng)導(dǎo)致了其他光纖激光器的嚴(yán)重?fù)p壞。
（圖片說明：510系列銅焊接縫(a)及其橫截面(b)，以及純101系列銅焊接接縫(c)與航節(jié)后的采樣部分(d)。）
下圖所示為恩耐nLIGHT altaTM光纖激光器與某傳統(tǒng)光纖激光器進(jìn)行黃銅焊接后的截面 - 前者卓越的焊接質(zhì)量顯而易見。
（圖片說明：nLIGHT alta 3kW光纖激光器(a)和傳統(tǒng)3kW光纖激光器(b)進(jìn)行黃銅焊接后的打磨橫截面表命(a)的超卓焊接質(zhì)量。(b)中沿著焊縫可見焊接缺陷（氣孔）。）
傳統(tǒng)光纖激光器本身存在的局限性以及強(qiáng)制停機(jī)等問題，都導(dǎo)致無法有效處理高反射材料。而恩耐新一代光纖激光器的架構(gòu)為千瓦級激光器材料處理，尤其是高反射材料的處理帶來了一場新革命。nLIGHT alta TM回返隔離器完全集成到了激光器架構(gòu)中，而其它解決方案試圖在處理光纖或有自由空間的光學(xué)部件上集成保護(hù)裝置，或者在有損壞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)強(qiáng)制關(guān)閉激光器，然而這些方法，并未從根本上解決機(jī)器損壞問題，反而還減少了設(shè)備使用壽命，也限制了處理高反射材料的能力。nLIGHT altaTM光纖激光器已經(jīng)被部署在了全球各地極具挑戰(zhàn)的工廠環(huán)境中，并且已經(jīng)在各種應(yīng)用中展現(xiàn)了無與倫比的高性能、高穩(wěn)定性和超長開機(jī)時(shí)間、以及不間斷地加工處理各種高反射材料的優(yōu)勢。
