从灯泵固体激光到光纤激光（上）

optro · 发表于 2011-3-26 08:31:58

本帖最后由 optro 于 2011-3-26 08:39 编辑

从灯泵固体激光到光纤激光（上）
—单模高功率仍然是一个世界性难题
《激光世界杂志》2010年第四期“光纤激光&半导体激光”一文说：“第一台高功率（灯泵）固体激光器问世时，有人曾预言CO2激光器将走向末日；当第一台千瓦半导体（泵浦）激光器出现在市场上时，其也曾在很长一段时间被认为是激光发展的未来”。今天IPG公司推出几千瓦级单模光纤激光器商品、德国通快公司世界上最著名的精密机床制造商，推出了8毫米毫弧度3千瓦DISK固体激光器，国内有研究单位报道研发出30瓦单模端泵YAG激光器，200瓦单模YAG激光器，光纤激光器通过十一五的五年研究，至少有五家研究单位，研究出1000瓦光纤激光器。为什么说灯泵、半导体泵、光纤激光终究会取代CO2激光在激光加工市场的垄断地位？现实的这些固体激光为什么又取代不了CO2激光？DPL激光、光纤激光技术又如何发展才有可能实现这种“取代”？上篇回答了第一个问题，确信了目前的这些固体激光不能取代CO2激光，中篇从理论上分别简单分析了这些固体激光的结构，证明它们的确不能取代CO2激光，下篇从这些固体激光的结构上的缺点，提出了新的固体激光器的结构，使这种“取代”有了些可能。
全球激光加工市场统计数据告诉我们，激光加工销售金额最多，对激光器的输出功率、光束质量要求最高的市场——激光切割平板金属，仍然被轴向流动CO2激光垄断。这个市场灯泵激光器的销售金额远比DPL激光、光纤激光高，轴流CO2气体激光器和灯泵固体激光器仍然是高功率、高端激光加工应用的主流激光器。光纤激光器连灯泵激光器都不能取代，更取代不了CO2激光器了。
一、在激光加工应用中，单模高功率固体激光理论上将取代轴流CO2激光
单模固体激光器的波长1.06微米比CO2激光器10.6微米小了10倍，如果一台1000瓦固体激光器和1000CO2激光器同是单模，会聚光斑直径相同时，固体激光的束散角比CO2激光小10倍，固体激光的瑞利长度r 要比CO2激光的长10倍。切割同样材料的钢板，固体激光器的锥度要好，而且切割深度更深。如果固体激光选择会聚光斑直径比CO2激光小一倍，瑞利长度比CO2激光长五倍，功率密度增加4倍，这样无论在切割锥度、速度和深度上都应该远优于CO2激光器。
再来考虑美国波音公司的机载激光武器，它使用的是氧碘激光器，功率2兆瓦，发射天线直径1500毫米，目标摧毁400公里外的起飞段的弹道导弹。我们可以推导出下面的公式：
p=1.27*P0*（ D0）2/(d0*α）2 /L2 （一）
公式中，d0激光束的束腰直径，α是激光束的发射全角，P0激光输出功率；D0发射物镜有效通光孔径，L是物镜到会聚点的成像距离，d是会聚光斑直径。p是会聚光斑的功率密度，单位瓦/（平方厘米）2。
下面我们分别计算单模氧碘激光器（波长1.315微米）、固体激光器（波长1.06微米）、CO2激光器（波长10.6微米）在100公里处的会聚光斑直径和2兆瓦单模激光功率密度：
氧碘激光：直径110毫米，功率密度2.1万瓦/平方厘米；
固体激光：90毫米，功率密度3.1万瓦/平方厘米；
CO2激光：900毫米，功率密度310瓦/平方厘米。
一台激光器用于激光加工或激光武器，并不取决于激光输出功率，而是取决于它的亮度，即：
P0/（d0*α）2（单位：瓦/（毫米*毫弧度）2）
从理论上说，一台30瓦单模固体YAG激光器，相当于单模3000瓦的CO2激光器，；一台200瓦的单模YAG激光器，相当于20千瓦CO2单模激光器，16.46瓦/（毫米*毫弧度）2，110瓦/（毫米*毫弧度）2；一台1000瓦的单模光纤激光器，相当于100千瓦的单模CO2激光器，550瓦/（毫米*毫弧度）2。从这个角度出发，IPG和通快的激光器在激光加工领域的应用应该是完全可以取代CO2激光器了，而且使激光加工水平跃上一个新的水平（目前单模CO2激光器在3000瓦水平），事实是否定的。
二、从全球激光加工销售数据分析，高功率单模固体激光器仍然没有实现
根据ILS的报道，2010年工业激光市场激光器总销售近15亿美元激光器，其中CO2激光占53%、固体激光占27%，光纤激光占16%。
工业激光主要使用在材料加工、半导体和微电子制造、激光打标和其它应用等四个领域。其中材料加工10.6亿美元，占71%；激光打标1.8亿，占12%；激光用于半导体和微电子制造1.5亿美元，占10%；其它应用7%。
材料加工的10亿美元，CO2激光占68%，固体激光占21%，光纤激光占11%。65%的销售金额6.5亿美元以上是激光切割创造的。激光切割对激光器的要求最高，不仅需要高功率、也需要高光束质量。
CO2激光7.89亿的销售其中7.29亿是用在材料加工的，固体激光在激光材料加工中的份额是2.24亿美元，光纤激光其仅有1.15亿美元。
2009年金融危机以来LFW就不提供详细的各类激光器在工业激光市场的详细销售数据，我们可以以2008年一月LFW发布的数据进行分析，详见表二。
来自ILS2008年第一期的数据，轴流高功率CO2激光器2007年销售了5500台，平均每台销售价格是16万美元；灯泵固体激光器的销售逐年下跌，但是销
售金额总量仍然远高于光纤激光器和半导体泵固体激光器，平均价格是6.4万/台；在轴流CO2激光，灯泵激光，半导体泵激光，光纤激光中，光纤激光器销售数量最高，2007年在工业激光市场，销售了6325台，总金额是1.34亿美元，平均价格3万/台。
根据以上的数据，光纤激光器的市场占有率增加的非常快，但是在高功率单模应用中就不是这样了，2003年IPG报道了第一台1000瓦单模光纤激光器，随后千瓦级单模光纤激光器的商品就出现了，直至今日市场上并没有出现那种预期。尽管IPG报道的单模光纤激光器输出功率一再上升，他们报道的用光纤激光器切割的技术数据，只能说和CO2激光器相当。据2011年第一期的LFW报道，只有65台高功率光纤激光器用于切割应用的记录，用于激光金属切割，每年销售几千台的CO2激光切割机，这就给IPG的千瓦级光纤激光器是不是单模打了问号。
表一、来自ILS的2007年全球工业激光销售数据
激光类型 2007 2008 2009 -37 2010 2011
CO2
总金额 1056 1091 669 789 907 15
材料 990 621 729 839 15
半导体 13 10 18 20 11
打标 21 16 18 20-11
其它 23 23 24 38 -17
固体总金额 449 394 340 397 450 13
材料 235 208 224 244 9
半导体 43 36 67 86 28
打标 71 62 66 71-15
其它 44 34 40 49 23
光纤总金额 189 213 169 239 290 21
材料 114 85 115 138 20
半导体 13 10 18 22 20
打标 74 67 92 114-24
其它 12 7 14 17 23

总金额 1694 1758 1231 1495 1727
表二、2005年——2007年工业应用激光器销售数据（来自LFW杂志）
密封CO2激光流动型CO2 灯泵固体激光半导体泵固体激光光纤激光
2007 19050台 5500台 4890台 4915台 6325台
93百万美元 963百万美元 315百万美元 134百万美元 189百万美元
2006 18000台 3800台 5596台 4625台 5275台
88百万美元 608百万美元 346百万美元 102百万美元 144百万美元
2005 76490台 3450台 5850台 5675台 3475台
82百万美元 552百万美元 367百万美元 111百万美元 91百万美元
三、从国内千瓦光纤激光试验数据分析，高功率单模固体激光仍然没有实现
图一是网上提供的一张照片，科学院某研究所1000瓦全光纤激光器作的一次损伤试验，从图我估计切缝大概1——2毫米，激光束会聚光斑也应在这范围；最多大约6毫米的景深，锥度明显。下面是简单的推论;
第一、全光纤激光的增益光纤芯直径20微米，NA0.06，输出激光的光斑直径20微米，全角度小于120毫弧度。
第二、使用有效通光孔径120毫米的透镜，将20微米直径激光会聚成1或2毫米光斑，会聚镜头与会聚点的距离大约50或100米；会聚镜头为12毫米时，距离5或10米。
第三、会聚光斑的锥度是千分之1.2或0.6，疑问一是图一所示的试验，切缝应该几乎看不出锥度，而图一中的切缝锥度明显。
第四、激光束的直径20微米、发射全角小于120毫弧度即小于2.4毫米毫弧度，这样的激光相当于56千瓦单模CO2激光器，即使3000瓦近单模CO2激光的切缝远小于2毫米，锥度也比这个试验效果要好。
第五、我们可以认为这台光纤激光器，由于泵光吸收不充分，其它各种因素影响，1000瓦激光中还有相当一部分是400微米包层中发出的光。我把这种不利因素夸大，1000瓦光功率中，仅有100瓦是直径20微米增益光纤中发出的激光，即使这样这100瓦的激光也相当于3000瓦单模CO2激光器发出的光，这已经是目前最好的单模CO2激光器了，但是这台全光纤激光器的试验结果，远比这差。
反过来我们考虑400微米直径、NA0.46光纤发出的1000瓦激光，会聚成直径1或2毫米的光斑后：
第一、会聚成直径1或2毫米的光斑，光斑扩大2.5倍或5倍，束散角半角变为200毫弧度或100毫弧度。
第二、考虑钢柱直径13毫米，这束会聚光束传输6毫米以后，光束直径增加为3.4毫米或3.2毫米。这样，这个试验结果和400微米包层光纤输出的1000瓦激光相符。
根据上述分析，可以初步考虑该1000瓦全光纤激光器的输出光束，近似400微米、NA0.46光纤输出的光束。
四、结束
激光在工业加工中，取决定作用的是激光器的亮度，单位（毫米*毫弧度）2输出功率，而不是单一的激光器输出功率指标。单模固体激光（灯泵、DPL、DISK和光纤激光器）是1.35毫米*毫弧度，CO2激光是13.5毫米*毫弧度，相同功率时固体激光器的极限亮度是CO2激光器的100倍，现实激光加工市场中的固体激光器远没有达到1.35毫米*毫弧度极限，甚至还达不到CO2激光器的光束质量。尽管IPG公司的千瓦光纤激光器、SPI公司的200瓦光纤激光器、通快公司的3000瓦DISK激光器，样本上报道的数据是单模或近单模，但是在实际切割金属材料中，并没有被用户接受，即使这些公司自己报道的数据也不过和CO2激光实现的数据在一个数量级。事实是从几十瓦至千瓦单模固体激光仍然是一个没有达到的难题。至少是在激光加工应用中，30瓦以上的单模固体激光器加工技术有待研究开发。
从公式（一）可见，激光武器也取决于激光器的亮度和发射天线有效通光面积（D2），有效通光孔径1500毫米的发射天线，100公里处单模Nd:YAG激光会聚光斑直径90毫米，10公里处9毫米。这就告诉我们几兆瓦的氧碘激光器，摧毁100公里外的起飞段的导弹几乎没有可能。第一、氧碘激光要达到单模，增益直径需要小于0.8毫米，输出2个兆瓦这是很困难的；第二、即使是单模，这样的功率密度还不能够瞬间摧毁目标，需要跟踪一段时间，跟踪同样是一个成像的极限分辨率，几乎没有实现的可能。但是将这样的激光器用于10公里以内的近地防空，单模会聚光斑直径是10毫米，功率密度达到2兆瓦，就可以在瞬间摧毁飞行目标。
固体激光用在10公里以内的近地防空，100千瓦单模在10公里处的功率密度是3100万瓦/平方厘米，当固体激光的光束质量是13.5毫米*毫弧度时，功率密度是31万/平方厘米，这时的跟踪精度是10倍极限成像分辨率，这样近地防空的激光武器有些可能性，激光器的难度和跟踪系统的难度都不小。
中篇我将分析灯泵固体激光、端泵和侧泵固体激光、DISK激光器为什么没有不能够实现单模大功率输出。比较详细分析光纤激光器，回答为什么会出现上述现象。下篇根据中篇分析得出的固体激光器的缺陷提出几种全新的固体激光器的设计。

bgzeng · 发表于 2011-3-26 10:10:15

谢谢LZ，受教了。

ouclin · 发表于 2011-4-1 16:31:38

dabaorabbit · 发表于 2011-4-1 17:29:09

终于又见到神仙发飙啦啦啦......

kkwith · 发表于 2011-4-2 11:45:58

好东西,学习了

gpadlxh · 发表于 2011-4-2 16:12:23

真牛！

optro · 发表于 2011-4-5 13:07:03

有一个故事是皇帝的新衣服，
当今中国激光也在扮演一场现代版的皇帝新衣服的闹剧。
有激光加工的权威认为决定激光切割的因素是激光器的亮度，而不是输出高功率；金属材料吸收近红外固体激光器的吸收率是远红外CO2激光器的好几倍。现实CO2激光器在切割金属厚板比光线激光器有效。
以上都是这位中国激光加工业圈外的话，本来我们可以从这些话，得出一个结论，当今光线激光器的亮度远不如CO2激光器。
但是，一场现代版的皇帝的新衣服闹剧终于诞生：
这位权威认为CO2激光的切缝在2毫米左右，光线激光器切缝太细，由于激光切割过程中需要辅助气体O2，由于切缝太细，O2不能充分进入切缝中，所以光纤激光任然是亮度最高的激光器。
我就想不通，我们可以让光线激光器的会聚光斑直径和CO2激光器做的一样，同样功率，功率密度一样，近红外吸收系数比远红外高几倍，这样光线激光器的切割速度不就该比CO2高了吗，还有这时的光纤激光器的瑞利长度是CO2的十倍，切割厚度就远比CO2激光厚。
还有，如果将光斑会聚成1毫米，功率密度是CO2的4倍，切缝宽度小了一倍，切割下来的金属量也小一倍，去要的O2量要少一倍多吧，这样也应该是速度、厚度都比CO2高！

tangyq1795 · 发表于 2011-4-12 10:50:41

楼上说得有道理

liurunjun · 发表于 2011-4-19 02:18:52

所以说书生误国，一个系统工程光评几个公式就能盖棺定论那实在是科研教授了，实际的世界是普遍联系的我认为CO2的优势就是整体封装好模块耦合度高所以系统效率会加分而固体、光纤激光的系统耦合面太多了每个细节存在公差整体性就打折了，一个最终M2指标或者是最终的亮度可能要追溯太多的产业链了，玻璃工业、机械工业、机床工业、工具工业、晶体材料工业、灯、半导体等等环节都是变量不如CO2来的单纯。先天有优势但也先天不足自身的基因缺陷或许只能靠新的发现来革新，比如激光的基础原理、光的本质，光与材料作用的本质，可能一种新的手段会诞生继续激光的故事，离子束、电磁波等。
理论好不如现实好

or2008 · 发表于 2011-4-20 10:49:48

分析的很到位

optro · 发表于 2011-4-24 11:38:22

本帖最后由 optro 于 2011-4-24 11:41 编辑

回复 liurunjun 的帖子

先回答先生第一个观点，以后再一一批驳您关于XX工业的观点。
先生的开场白是“书生误国”，是谬论。中国革命也就是您处的这个社会和国家，是中国的大儒们“打出来的”，这个“打”，不仅仅是武力，根本的是思想民心，这个您可能不理解，任何一件事用思想理论取得成功是最高境界。
固体激光是一个物理问题，似乎不需要这些人文方面的事掺杂，我以前也是这样认为，但是这个网上的人的言论、中国激光行业里的权威人士们和他们的徒子徒孙们眼中的西方的“皇帝的新衣”，以及您对固体激光基础理论的这些藐视，我才感到这个产业的出路，不仅仅是一个物理技术问题，还是一个方法论的问题。下次再谈您的“书生误国”的事和固体激光产业中缺乏的真正的“书生”。

CARYLASER · 发表于 2011-4-24 16:16:27

回复 optro 的帖子

功率光纤激光器没法输出真正意义的单模，那样功率就很低，只有当有源光纤使用单模光纤是才可以，那样功率会很低，所以才用LMA光纤、光子光纤等改进有源光纤。其实国外大公司的产品技术指标有30%是不真切的，但也不可否认比起我们自己的技术他们实在太强了，一个行业的竞争是国家系统的竞争！！！一个光纤激光器包含着光学、机械仪器、微电子等合成技术，并不是单单激光理论！全世界单模光纤激光器（理论上单模激光）只要功率超过800MW（毫瓦）就没有人生产出来过，所以你的看法是对的！！！但是IPG可不光靠吹啊！大陆的公司和研究所就是靠吹、忽悠、骗等手段的多啊，什么西光所、锐某科、工研、上精等都一样啊！！！！比过我还很佩服你，西光所的千瓦光纤激光的输出光纤是400微米，NA0.22.你的分析很对，所有的高功率光纤激光器的输出光纤都差不多啊，那来的单模啊！！！但是有源光纤部分是少模激光(M2>3.8)输出比,起其他固体激光器来说那是好太多了！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！

[原创] 从灯泵固体激光到光纤激光（上）

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