光纖激光器雕琢未來(lái)工業(yè)的利器

激光的出現(xiàn)和應(yīng)用被稱(chēng)為人類(lèi)使用工具的第三次飛躍。縱觀科技發(fā)展的歷史，能源獲取方式不斷更新，促進(jìn)了科技文明等級(jí)的不斷提高。從燃燒木柴得到火源，到開(kāi)發(fā)各種化石燃料獲得機(jī)械動(dòng)能，直至依靠核能、元素衰變獲取能源，輸出電力，我們一直在探索和開(kāi)發(fā)能量利用和儲(chǔ)備的新途徑。激光，作為全新的能量利用方式，被譽(yù)為“最快的刀”和“最準(zhǔn)的尺”。大家也公認(rèn)激光加工是“未來(lái)制造系統(tǒng)的共同加工手段”。與機(jī)械加工相比，激光加工面對(duì)的對(duì)象非常廣泛，幾乎沒(méi)有任何行業(yè)限制；過(guò)程完全可以采取非接觸的方式展開(kāi)，符合新經(jīng)濟(jì)工廠微型化的大趨勢(shì)；產(chǎn)生的能耗極低，環(huán)保效益極高；加工速度快，可以同自動(dòng)控制、智能生產(chǎn)完美結(jié)合。

激光器從誕生到現(xiàn)在，不過(guò)短短半個(gè)世紀(jì)時(shí)間。而激光技術(shù)確如人們所期，滲入了各行各業(yè)。不論是通信、測(cè)量、醫(yī)學(xué)、印刷，還是制造業(yè)、軍事、娛樂(lè)業(yè)、科研……并且，可以毫不夸張地說(shuō)，在某些領(lǐng)域，它已成為不可替代的核心技術(shù)。例如，通訊領(lǐng)域中的光纜通訊，軍事中的制導(dǎo)、測(cè)距，計(jì)量中的長(zhǎng)度基準(zhǔn)，娛樂(lè)業(yè)中的信息存儲(chǔ)等。另一方面，激光器并不那么“好用”——效率低，例如燈泵浦固體激光器（泵浦源自英文“pump”，意為“抽取”，形容能量受到激勵(lì)，從低到高流動(dòng)）的效率只有2%、故障多、穩(wěn)定性差、體積龐大、使用成本高。

光纖激光技術(shù)的成熟使得大功率光纖激光器從實(shí)驗(yàn)室真正進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的時(shí)代。早在上世紀(jì)60年代，美國(guó)科學(xué)家梅曼就成功制造出了首臺(tái)激光器，使激光正式步入實(shí)際應(yīng)用的工業(yè)時(shí)代。長(zhǎng)期以來(lái)，普通激光器的功率、效率以及性能難以得到大幅提升。在能源日益短缺的時(shí)代，大功率光纖激光器較高的電光轉(zhuǎn)換效率使其可以大幅度減少能耗，在節(jié)約資源等方面做出越來(lái)越多的貢獻(xiàn)。光纖激光器已經(jīng)或正在許多應(yīng)用領(lǐng)域替代化學(xué)、氣體和普通固體激光器，對(duì)激光器市場(chǎng)產(chǎn)生了革命性的改變，也是未來(lái)激光器發(fā)展的必然趨勢(shì)，是“激光產(chǎn)業(yè)的新寵兒”，被譽(yù)為“第三代激光器”，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2015年，全球激光器產(chǎn)品（不含激光器系統(tǒng)）市場(chǎng)容量預(yù)期可達(dá)100億美金。其中，光纖激光器目前所占市場(chǎng)份額并不高，還不到工業(yè)用激光器的15%（2008年光纖激光器所占比例為7%），但增長(zhǎng)迅猛。據(jù)美國(guó)權(quán)威雜志《工業(yè)激光解決方案》（Industrial Laser Solution）預(yù)測(cè)，其持續(xù)幾年的增長(zhǎng)率都將在25%以上，到2025年有望占到整個(gè)工業(yè)用激光器市場(chǎng)份額的50%以上。未來(lái)“光加工”必將成為高端制造業(yè)的核心，光纖激光在微納加工領(lǐng)域必將扮演越來(lái)越重要的角色。

目前，節(jié)能環(huán)保、新能源利用是全球的主旋律。在這種大環(huán)境下，激光器技術(shù)如何走出環(huán)保節(jié)能的綠色之路，也是世界上所有激光專(zhuān)家所面臨的現(xiàn)實(shí)課題。其中，被稱(chēng)為“第三代激光器”的光纖激光器脫穎而出，特別是摻雜各類(lèi)稀土的光纖激光器，在光纖通信、光纖傳感、激光材料處理等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，成為最受關(guān)注的新興技術(shù)。與傳統(tǒng)各類(lèi)激光器（包括氣體激光器、半導(dǎo)體泵浦固體激光器和燈泵浦固體激光器等）相比，光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)非常突出，具體包括：

節(jié)能省電，低制冷，環(huán)保效益高

高功率光纖激光器電光轉(zhuǎn)換效率高，整機(jī)系統(tǒng)的效率可達(dá)30%，其效率是燈泵浦固體激光器的15倍，二氧化碳?xì)怏w激光器的6倍，半導(dǎo)體泵浦固體激光器的2倍。在激光精密加工行業(yè)，2008年全國(guó)激光系統(tǒng)銷(xiāo)售量約為2萬(wàn)套，其中高功率光纖激光器占10%。以每臺(tái)激光器平均功耗500瓦、開(kāi)機(jī)率50%計(jì)算，2008年全年銷(xiāo)售的各類(lèi)激光器的一年總用電量約為4300萬(wàn)度電。如果高功率光纖激光器占有率增加到50%，那么一年銷(xiāo)售的光纖激光器在全年耗電量方面直接節(jié)約工業(yè)用電約2000萬(wàn)度電。這幾乎等同于中國(guó)2009年在甘肅敦煌西部招標(biāo)籌建的全國(guó)最大的太陽(yáng)能發(fā)電站一年的發(fā)電量，該太陽(yáng)能電站規(guī)模10兆瓦，總投資超過(guò)5億元。中國(guó)目前工業(yè)用激光加工系統(tǒng)超過(guò)20萬(wàn)套，如果半數(shù)（主要是燈泵或者半導(dǎo)體泵浦固體激光器）替代為高功率光纖激光器，那么所能節(jié)約的耗電量更是驚人。

傳統(tǒng)激光器中增益介質(zhì)通常情況下必須采用水制冷，一方面是保護(hù)增益介質(zhì)避免受到熱損傷，另一方面是確保激光腔的穩(wěn)定性，消除所謂“熱透鏡”效應(yīng)。而光纖激光器采用光纖做增益介質(zhì)，具有很大的表面積/體積比，這使其具有非常好的散熱性能。同時(shí)，封閉的全光纖結(jié)構(gòu)保證了激光腔的穩(wěn)定性。正因?yàn)楣饫w激光器這些獨(dú)有的特點(diǎn)，從而使得其對(duì)冷卻的要求大大降低，低功率的光纖激光器更只需使用風(fēng)冷，取代了傳統(tǒng)激光器所必需的水冷要求，從而節(jié)電節(jié)水。

免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性

現(xiàn)代加工行業(yè)中大量使用到的半導(dǎo)體泵浦固體激光器，開(kāi)機(jī)需要預(yù)熱，使用過(guò)程中需要監(jiān)控腔內(nèi)溫度情況，經(jīng)常需要受過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)人員做光學(xué)校準(zhǔn)，使用一段時(shí)間之后還需要更換激光腔，從而使得激光器的維護(hù)和使用成本非常高。而光纖激光器整個(gè)激光腔由柔性光纖通過(guò)熔接工藝組成一個(gè)封閉的腔體，腔內(nèi)沒(méi)有任何光學(xué)鏡片，開(kāi)機(jī)即可使用，具有免調(diào)節(jié)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。尤其重要的是，可長(zhǎng)期免維護(hù)使用，可節(jié)約大量維護(hù)費(fèi)用和時(shí)間，提高工作效率，從而節(jié)能省成本，這是傳統(tǒng)激光器無(wú)法比擬的。

光束質(zhì)量高，加工精度高

光纖激光器的光路由光纖和光纖元件構(gòu)成，信號(hào)激光在直徑很小的纖芯中產(chǎn)生和傳輸。在小芯徑纖芯波導(dǎo)的限制下，信號(hào)激光可獲得近似理想的光束質(zhì)量和極小的光斑直徑，這是全光纖激光器獨(dú)具吸引力的無(wú)與倫比的重要優(yōu)勢(shì)。優(yōu)異的光束質(zhì)量和極小的出光光斑直徑在激光應(yīng)用中具有非常重要的意義，可使后續(xù)應(yīng)用設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，體積更小，工作距離更長(zhǎng)，激光聚焦光斑更小，工作效率更高，加工深度更深，加工質(zhì)量更好等。同一臺(tái)光纖激光器可以進(jìn)行焊接、切割、鉆孔、熔覆、燒結(jié)和釬焊。例如，新能源太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)中的核心元件（光伏板）的劃片和切割工藝中，光纖激光器正在逐步替代其他各種激光切割技術(shù)，成為光伏產(chǎn)業(yè)中太陽(yáng)能電池表面處理、薄膜切割等應(yīng)用的最佳選擇方案。因?yàn)楣饫w激光器和傳統(tǒng)激光器相比具有最小光斑尺寸以及最優(yōu)良的光束質(zhì)量，所以切割質(zhì)量最高，減少光伏板的材料浪費(fèi)。換句話說(shuō)，光纖激光器加工技術(shù)能夠最有效地提高光伏電池的發(fā)電量，降低成本，提高效益。

在醫(yī)療方面，許多內(nèi)外科手術(shù)中使用光纖激光作手術(shù)刀。大功率光纖激光器用于手術(shù)，使組織脫落和光致凝結(jié)手術(shù)的時(shí)間大大縮短。在眼科手術(shù)中，連續(xù)摻銩光纖激光器能使角膜成形手術(shù)的成功率更高，還可以治療遠(yuǎn)視、近視等眼科疾病。由于光纖的柔韌性和光纖激光器光束質(zhì)量好，在心血管手術(shù)中可使光纖進(jìn)入人體內(nèi)排除腫瘤或各種血管淤積物。在整形美容手術(shù)中，2微米波長(zhǎng)光纖激光器在治療皮膚癌和去紋身方面也取得了良好效果。此外，功率為幾瓦的摻銩光纖激光器能為外科手術(shù)提供較大的高能輻射，在顯微外科手術(shù)中扮演了重要角色，而且在紅外保健方面也有應(yīng)用。

大功率光纖激光器應(yīng)用于石油礦產(chǎn)領(lǐng)域，在建井和完井作業(yè)中發(fā)揮出色作用。光纖激光器通過(guò)光纖向井下提供所需要的能量，與常規(guī)工業(yè)激光器相比，工作效率更高、光束質(zhì)量更好、機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)，在使用壽命期間基本上不用維修。2003年，美國(guó)天然氣技術(shù)研究所（GTI）使用5.34KW大功率激光器進(jìn)行的井下射孔實(shí)驗(yàn)表明，高功率光纖激光器因具有較高光束質(zhì)量使其能夠破碎任何巖石，因而在此應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)出其巨大優(yōu)勢(shì)。

除此之外，光纖激光器還具有體積小、靈活性高、使用壽命長(zhǎng)（10萬(wàn)小時(shí)）等，就不一一列舉。

綜上所述，我們可以明顯看出，高功率光纖激光器是適應(yīng)綠色環(huán)保主題要求下的新型激光器，其發(fā)展是大勢(shì)所趨，不可替代。其不僅自身使用節(jié)能省電、使用成本低，而且適用于新能源產(chǎn)業(yè)中高精密加工的需求，從而造福人類(lèi)，其經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益是不可估量的。

發(fā)展超高功率全光纖型激光器系統(tǒng)，無(wú)疑對(duì)于產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代具有重要的推動(dòng)作用，在實(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型加工設(shè)備研制方面具有深遠(yuǎn)意義。深圳是繼武漢之后中國(guó)第二個(gè)激光產(chǎn)業(yè)聚集地，也是高功率光纖激光器的用戶(hù)集中地區(qū)，有些公司每年用在高功率光纖激光器的采購(gòu)上都已達(dá)數(shù)億。在新一代的工業(yè)革命浪潮中，只有在工具上不斷革新，積累優(yōu)勢(shì)，才能確保我們具備真正領(lǐng)先的創(chuàng)新制造能力。