光纤激光器与CO2激光器的比较概要

华中科技大学 李宇奥
在武汉三工光电设备有限制造公司，激光打标机系列产品中包括了CO2激光 打标机和光纤打标机。 目前的CO2激光打标机一般都是采用的进口CO2射频激光管， 其使用寿命可达2-4万小时，该款机型最快打标速度可达 7000mm/s。CO2激光打标机适合在绝大多数的非金属材质 上打标，例如纸质包装、塑料制品、皮革面料、玻璃陶瓷等。 随着技术的升级，武汉三工光电设备制造有限公司研发出 10w便携式co2激光打标机，该机最大的特点是突破了传统 co2激光打标机体积过于庞大的缺点，能方便的集成在各类 生产线上，设备虽然体积减小了，但是功能上完全没有任何 损失。
CO2激光器发展状况
封离式 慢速轴流 横流 快速轴流 涡轮风机 快速轴流 20 10000 2.5 扩散型
出现年代 功率 光束质量 MF因子
20 500 不稳定
20 1000 1.5
20 20000 10
20 5000 5
20 5000 1.2
光束质量 Kt因子
不稳定
5
35
17
9Βιβλιοθήκη Baidu
4.5
从上表可以看出，早期的CO2激光器取向激光功率提高的方向发展，单当激光功率达 到一定要求后，激光器的光束质量受到重视，激光器的发展随之转移到提高光束质量上。 接近衍射极限的扩散冷却板条式CO2激光器具有较好的光束质量，一经推出就得到了广泛 的应用，尤其是在激光切割领域，受到众多企业的青睐。
光纤激光器的发展前景
光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无 需庞大的制冷系统，具有高转换效率、低阈值、光束质量好和窄线宽等优点。 光纤激光器通过掺杂不同的稀土离子可实现380—3 900 nm波段范同的激光输出，通 过光纤光栅谐振腔的调节可实现波长选择且可调谐。 与传统的固体激光器相比，光纤激光器体积小，寿命长，易于系统集成，在高温高压， 高震动，高冲击的恶劣环境中皆可正常运转，其输出光谱具有更高的可调谐性和选择性医 疗及生物市场的强劲需求驱动了飞秒(超快)激光技术在分析仪器应用方面的快速发展。人 们正在努力对活体细胞、组织以及病毒转移特质进行实时测量和分析．这些应用对人类攻 克癌症等方面的研究至关重要。超快激光使得在对患者进行快速，非介入性诊断时可以取 得实时信息。现有超快激光的制造技术成本太高，系统的尺寸也非常庞大，这些制约了市 场的发展。光纤激光器的很大一部分应用可以走到超快激光．而且光纤激光器的生产厂商 也着重从尺寸小巧方面推荐光纤的应用。生命和健康科学是一个非常强劲的市场．因为那 里会永远不断地出现新的应用，其中很多是基于激光的应用，并且医药也在不断寻求改进。 激光不再只局限为一种外科手术工具，将会更加广泛地应用于医学诊断(如细胞影像)、药 检、DNA排序、细胞分类以及蛋白质分析等方面。激光现已广泛应用于人们前所未闻的领 域中。
最大功能率
脉冲性能
升达到同样的功率，脉冲爬升时 间比快轴流激光器多五倍，峰值 功率持续时间远短于快轴流激光 器，所以打孔能力、转角加工质 量、消除零件下表面挂渣的能力 较差
可调制成脉冲输出模式，最高频率 5KHz,响应时间小于100us，打孔能力、 转角加工质量能量好，保证切割尖角 和拐角质量。
可切割材料种类
技术特点
激光器产生激光的气体消耗 光电转化效率
激光器内光路及机床外光路镜 3.73元/小时 片消耗
激光器电功率消耗 激光器水冷却系统电耗
35KW/小时 15KW/小时
维护成本
轴快流式激光器维护成本巨大，前镜尾镜 价格昂贵，涡轮机轴承寿命8000小时，8万 元每对。ROFIN DC025用于切割对激光器内 部射频阀影响太大，射频阀约9万元/根， 保修4000小时；另外rofin激光器需2000小 时点检一次，费用为5000元。
光纤激光器的基本结构与原理
光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本相同。
LD 耦合光学系统 工作物质 (增益光纤) 准直光学系统
泵浦源 谐振腔
谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环
横流CO2激光器基本结构及工作机理
激光器厂家
二氧化碳激光器激光器(以德国ROFIN DC025为例) 德国IPG 光纤2000瓦激光器
碳钢、不锈钢。连续大量切割不 锈钢或仅小批量切割黄铜/铝板/ 铝合金/钛合金/硅钢/镀锌板等但 对射频管影响大。
可连续大量加工一些难加工的金属铜 (Cu)、铍铜(BeCu)、磷青铜 (Pbronze)、钼(Mo)、不锈钢(SS)、 镍(Ni)、铝(Al)、钛(Ti)、回火钢 (TS)等。 15—20毫米 8—10毫米 6—8毫米 薄板速度快，是CO2切割速度的2-3倍， 切割质量好，断面完美。
CO2激光打标机
光纤激光打标机
光纤激光打标机采用进口激光器，配备高速振镜扫描 系统（打标速度≥7000mm/s）与专业激光打标软件。 随着光纤激光器的价格不断下降，未来光纤激光打 标机是主流。由于光纤激光器采用的是模块化设计， 集成风冷装置，所以光纤激光打标机相对于其他的激 光打标机来说体积更小。日前，三公光电公司推出了 一款体积更小的便携式激光打标机，整机只有电脑机 箱一般大。光纤激光器相对于其他几种激光器来说光 电转化效率更高，光束质量更好，所以光纤激光打 标机打出来的线条也更加的精细。光纤激光打标机适 合在各类金属与非金属材料上打标。
免维护，胜任恶劣的 工作环境，对灰尘、 震荡、冲击、湿度、 温度具有很高的容忍 度。
光束特性
ROFIN DC025横向边缘放电，光束呈不规则 状态，内部需增加4片镜片对光束进行整形， 由于其原始光斑不规则，所以切割断面相 对粗糙，尤其在厚板上更明显。 4000瓦
激光单模输出，能量 呈高斯分布。原始光 束均匀，金属切割断 面完美。 100000瓦
轴快流式激光器混气结构复杂，使用及维护成本庞 大，光束发散较大，不适合大台面切割。德国 光纤激光器具有其它激光器（CO2、HeNa、 rofin激光器2500瓦以内光束能量密度比较集中为 DPL等）无法比拟的优点：技术成熟及其光 基准模，最适合切割；由于其结构为板条式放电选 纤的可饶性所带来的小型化、集约化，高亮 模很困难，所以2500瓦以上模式为多模（01、10等 度高转换效率 ，高能量输出高光束质量， 多种模式并存），光束能量比较分散主要用于焊接， 无需光学准直 ， 无需机械稳定 ， 省电无 切割能力和2500瓦完全安全一样，切割稳定性低于 需维修 。 2500瓦。 5.1元/小时 8%-10% 没有气体消耗。 30%以上 1.6元/小时，由于光纤激光器的諧振腔内无 光学鏡片，具有免调节、免维护、高稳定性 的优点。外光路仅为一根光纤传导。整个切 割系统只有切割头一片聚焦镜 7kw/小时 6kw/小时(含外光路光闸和切割头冷却）
切割能力： 碳钢 不 锈钢 铝合金 切割板材速度
18—20毫米 8—10毫米 5—6毫 米（不能连续切割） 厚板稍慢，由于割缝细，速度较 慢。
综上所述： 1. 在切割质量及速度上光纤激光器优于二氧化碳激光器。 2. 在使用成本上光纤激光器每小时成本比二氧化碳激光器 低44.23元（按工业用电每度电一元算），若每年工作 7200小时，则每年共节省费用31万多元。 3. 由于没有外光路，在保养维护及故障率方面，同样大大 低于二氧化碳激光器，同时切割稳定性将将远优于二氧化 碳激光器。 4. 在一次性投入方面，光纤激光器要略高于二氧化碳激光 器。