适用于机器人的几种高功率激光器比较
机器人是高度柔性加工系统, 它对激光器的首位要求是具有高度的光束传输柔性, 此外还要求激光器具有光束质量高、稳定、可靠、体积小、重量轻等特点, 便于与机器人进行耦合集成。 激光加工机器人的第一代光源是轴流CO2 激光器。但CO2 激光波长10. 6 μm 不能光纤传输。CO2 激光器笨重地组装在机器人上, 光束依靠光学反射镜转折传输, 光路体积大重量大, 加工柔性小,应用受到很大的限制。20 世纪90 年代后, 千瓦级灯抽运Nd：YAG 激光器和二极管抽运全固态激光器( DPSSL) 成为激光加工机器人的第二代光源, 光束可以光纤传输并与机器人耦合, 光路体积大为缩小, 具有很高的加工柔性。21 世纪初, 随着激光技术飞速发展, 涌现出多种具有高度柔性的可光纤传输的高功率工业型激光器: 光纤激光器、盘片激光器和半导体激光器, 成为激光加工机器人的第三代光源。第三代光源体积大大缩小, 集成后的机器人体积小重量轻, 可以实现现场流动作业; 全光纤传输加工柔性大大增强; 激光能量可以分成多路传输, 实现多路加工; 极细的光纤可以传输大功率光束, 可以在很小空间内进行加工。 日本在2005 年研制出平均输出功率10 kW电光效率大于20% 的高功率全固态激光器。德国Trumpf 公司已有LD 抽运的2, 4. 5 和6 kW 系列YAG激光器, 光束质量分别为12, 16 和25 mm •mrad。图1是德国Rofin 公司6 kW级LD抽运YAG 激光器外形及原理图, 主要技术指标为:波长1. 06 μm; 最大功率5. 5 kW( 工件上4 kW) ; 光束质量25 mm •mrad。全固态激光器提高了输出功率和光束质量, 可以用于激光切割、焊接、打孔、雕刻、热处理和熔覆等作业。
（图1 Ro fin 公司LD 抽运YAG 激光器）
德国IPG Photonics 公司采用组束技术, 在2005 年德国慕尼黑国际激光和光电子展览会上推出系列的高功率光纤激光器,光纤激光器成为工业激光的主流产品和未来趋向。 光纤激光与YAG激光相比, 具有一系列优点: 1、输出功率高达1~ 50 kW, 20 kW 已经商品化, 是目前国际上功率最高的激光器。波长1. 070 μm, 材料吸收率高。可用于焊接、切割、打标、雕刻、熔覆及再制造等各类激光加工作业。 2、光束质量优良( 11. 6 mm •mrad) , 焦点光斑直径微小( 10~ 100 μm) , 光束几乎呈平行传输, 实现激光远距离加工。 3、体积小, 重量轻, 便于移动。光纤传输柔性高, 易与工业机器人等配合, 实现高度自动化现场加工。 IPG 公司YLR-7000 光纤激光器最大输出功率( 工件上) 6. 9 kW, 光斑直径519 μm, 波长( 1070±5) nm, 光束质量18. 5 mm •mrad, 光纤芯径300μm , 效率20%。YLR-10 kW光纤激光器主要参数: 最大输出功率( 工件上)10. 5 kW, f = 200 mm 时光斑直径360 μm, 波长(1070±5) nm, 光束质量11. 6 mm •mrad, 光纤芯径200μm, 效率25%，YLR-17 kW光纤激光器主要参数: 大输出功率( 工件上) 16. 7 kW, f = 420 mm时光斑直径420 !m, 波长(1070±5) nm, 光束质量11. 7 mm •mrad, 光纤芯径200μm, 效率30%。 2005 年德国通快( Trumpf) 公司在德国慕尼黑国际激光和光电子展览会上推出2 kW, 4 kW系列的新型激光器——盘片激光器。图2为HLD-4002外观。
（图2 HLD-4002外观）
盘状激光器优点: 1、功率输出高达5 kW, 波长1. 030μm, 材料吸收率高。已经商品化, 可用于焊接、切割、打标、雕刻、熔覆及再制造等各类激光加工作业。 2、 光束质量比光纤激光更优良(8mm •mrad) ,光束呈平行传输, 激光远距离加工能力更强。 3、光电转换效率高达25% 。运行寿命长成本低, 工作环境常温, 维护方便。 4、光纤传输, 柔性高, 易与工业机器人等配合,多路光缆输出, 多个工作站同时工作。 盘状激光器比光纤激光器光束质量高, 但不易达到万瓦级功率水平, 而且体积和重量大, 不适于现场流动作业, 这些方面光纤激光器具有明显优势。 大功率半导体激光器一般分为单管型和阵列型两种类型, 二维阵列又有单片阵列和叠层阵列两种, 采用叠层阵列输出功率可以高达百瓦、千瓦, 甚至准连续输出功率达万瓦以上,而这些器件的能量转换效率可高达百分之几十。但是半导体激光器存在较大的缺点: 激光性能受温度影响大, 光束的发散角较大。因而, 在激光加工领域半导体激光器主要用于激光热处理、激光熔覆等, 不适于激光切割、焊接、打孔、雕刻等要求光束质量高的应用。它体积小、重量轻、可以光纤传输、易与工业机器人等配合集成; 便于移动, 更适于现场流动作业, 这些方面比YAG、光纤、盘片等激光器具有明显优势。 图3 给出了几种不同光源光束质量比较( IPG公司生产的单模、多模光纤激光器, Trumpf 公司生产的盘片激光器, LD 抽运YAG 激光器, 灯抽运YAG 激光器和CO2 激光器) 。可见, 当激光功率小于1000 W, YAG 激光器( 灯抽运、LD 抽运) 、光纤激 光器( 单模、多模) 和盘片激光器的光束质量都优于快轴流CO2 激光器。当激光功率大于1000 W,YA G 激光器光束质量最差: 灯抽运YAG 激光器光束参数积( BPP) 为23. 9mm •mrad, LD 抽运YA G激光器BPP 为15. 6 8mm •mrad。当激光功率达到10000 W, 光纤激光器( 单模、多模) 和盘片激光器的光束质量几乎和快轴流CO2 激光器相当, BPP值基本为10~ 128mm •mrad。
（图3 几种激光器光束质量比较）