光纤激光器的技术发展遇到瓶颈了吗？

Coherent高意的可调节环形光斑（ARM）技术和通快的环芯可调（Brightline，由TruFiber-P激光器提供）可在核心和外环之间灵活分配光束功率，从而在焊接过程中显著减少飞溅。事实证明，这两种解决方案都能在电动汽车和电池制造等行业中实现快速、高质量焊接。对此LSE采访了两家公司光纤激光器部门相关人士，就材料加工的光纤激光技术近期和未来发展，发表意见和看法。

问：过去两三年，光纤激光技术领域取得了哪些重大进展？
Mark Richmond（通快CW光纤激光器产品经理）：我认为，过去几年光纤激光器的发展主要有两个方向。首先是激光功率的上限在增加，这也拉高了光纤激光器销售的中位功率。在几年前的主要激光器展览会上，20kW往往是当时激光切割系统的最大功率，但现在已经出现了30kW、40kW激光系统。同样，用于切割和焊接应用的激光器也从3kW提高到了6kW。这在一定程度上得益于市场上泵浦激光二极管价格的下降，约为几美元/瓦，从而使更高功率的激光器价格持续下探。

通快CW光纤激光器产品经理Mark Richmond

其次，业界越来越重视对光纤激光光束进行动态光束轮廓修正，以改进主要是焊接方面的应用，尽管在增材制造和某些切割应用中也显示出了好处。通常，这些系统依赖于具有中心芯和一个或多个环绕环的输送光纤，每个环绕环输送激光束的可控部分。商业系统中采用不同的方法将激光功率分割或引导到这些区域，但最常见的是将单独控制的激光模块的单模输出连接到核心和环中。

Coherent高意战略营销总监Jeff Franks

Jeff Franks（Coherent高意战略营销总监）：总的来说，价格和尺寸的降低在整个光纤激光行业都很普遍。对于2D切割，我们现在正交付能够日复一日工作的切割头，厚板切割功率高达30kW。此外，对于公司而言，我们很难不引用一些创新的本土技术，可调节环形光斑技术是独立控制环形和中心光束的领先技术，真正彻底改变了高性能、低飞溅的激光焊接。

问：过去两三年，光纤激光器在哪些既定的材料加工应用中得到了更多的采用？
Mark Richmond：对于一些行业如增材制造业，光纤激光器是关键的使能技术。所有主流的增材制造系统，特别是那些基于粉末床的增材生产系统都使用了光纤激光器，可以提供光束质量、功率和成本的正确组合。

对于其他应用，随着成本的降低和易用性的提高，光纤激光加工正在取代传统方式。因此，我们看到了等离子体切割机正在被基于光纤激光系统取代，MIG/TIG焊机也看到了来自小型手持光纤激光焊接机的竞争，该系统具有包括送丝器在内的专业加工头。

Jeff Franks：我们的ARM技术以及那些追随该技术的公司已经在电动汽车（EV）行业得到了广泛应用，它所能提供的高度可控、低飞溅的焊接在焊接一致性和产量方面，改变了以往的游戏规则。

问：您认为光纤激光器在其他新领域的应用有哪些？
Mark Richmond：在接下来的十年里，业界将对氢燃料电池作为电动汽车的替代电源越来越感兴趣。在燃料电池内有一堆双极板，在其中发生产生电力的反应。这些双极板需要数米长的焊缝才能将两个部分密封连接起来。为了燃料电池的生产经济性，需要高焊接速度，但目前，如果焊接速度推得太高，则会因“隆起”问题而导致焊接不良。克服这个问题将真正有助于燃料电池的开发和生产。幸运的是，一些具有动态光束整形功能的新型光纤激光器有望解决当前焊接速度限制的问题。

Jeff Franks：我认为，几个有趣的领域是激光清洁和手持式激光焊接设备，这两种设备都有可能取代现有技术。用于焊接的手持式光纤激光器在中国以及在世界其他地区的应用率很高。公司的65W泵浦激光二极管和活性光纤为这个高潜力市场提供了技术支持。

问：您预计光纤激光技术在未来几年将如何进一步发展？
Mark Richmond：每个人都关注所在行业的可持续发展问题，这影响了他们对光纤激光器的需求。与一些用于工业过程的激光器相比，光纤激光器的效率已经高出一个数量级，下一代光纤激光器的主要方向仍是进一步提高效率，但不太可能来自一个关键改进。正如英国自行车运动员Dave Braisford所说，通过在每一步进行一系列较小的改进（例如激光二极管、谐振腔设计、电源设计），然后将它们组合在一起，就可以实现显著的性能改进。

第二个关键领域是提高具有最佳光束质量的激光器（单模激光器）的功率，并增加有效传输光纤的长度。同样，这将通过技术组合来实现，不仅可以产生更高的单模功率，还可以在不影响激光器性能稳定性的情况下，克服受激拉曼散射（SRS）对传输光纤长度的限制。

Jeff Franks：新颖的光束轮廓配置、进一步缩小尺寸和提高效率将变得更加重要。高功率、偏振光纤激光器将实现频率倍增，并开辟新的材料加工应用领域。Coherent高意在有源光纤、光束组合器防线的技术发展，以及更高单芯片功率二极管技术的改进，将有助于提供高激光器性能的同时持续降低成本。

问：就像二氧化碳激光器曾经受到来自光纤激光器的竞争一样，您认为光纤激光器未来有一天也会遇到另一种激光器的挑战吗？
Mark Richmond：肯定会有一些新的激光器类型更多地进入商业应用领域。例如，VCSEL已经存在多年，此前一直在用于低功率应用。但现在，它们在制造过程中的热处理和电动汽车电池箔干燥等应用中的大型阵列，同样具有商业意义。

然而，这些激光器的光束特性截然不同，这意味着它们不会直接影响光纤激光器的主要应用。光纤直接二极管系统正在向更高功率发展，光束质量也在不断提高，这将解决一些光纤激光器的应用问题。在这些应用中，直接二极管激光器的低光束是可用的，例如用于大面积粉末熔覆。

但在20-25年前，当光纤激光器刚刚起步时，泵浦激光二极管的价格约为100美元/瓦时，它们看起来并不是一种能取代二氧化碳激光器的激光器技术。因此，我们期待着下一个令人兴奋的新兴技术。

Jeff Frank：长期以来，二极管激光器取代光纤激光器的潜力一直被看好，但由于多种原因，这种可能性从未取得任何成果。仅使用二极管并不便宜，因为还需要其他可扩展性较低的元件来向工件提供功率，尤其是在亮度较高的情况下。

对于现有的光纤激光器技术来说，规模经济对于大批量生产也有很大优势，而且这种产量只会越来越大。对于依赖纯功率而非亮度的应用，二极管激光器则真正具有优势，我们看到了巨大的潜力。二极管功率和效率的提高促进了光纤激光器的发展。

通常情况下，总会有一种新技术能像光纤激光器当时改变了行业规则那样，但到目前为止，我们还没有在市场上看到这种引人注目的技术。当然，我们的研发工程师正忙于许多项目，但对于这些项目，现在只能说拭目以待。