高功率光纤激光器是一种用途广泛、功能强大的工具，适用于从切割、焊接到国防等广泛的工业应用。激光头设计、光束优化和波长灵活性方面的进步，使光纤激光器成为寻求提高生产线产量、质量和效率的制造商越来越有吸引力的选择。虽然越来越高的功率系统正在出现，但降低成本并将激光系统与竞争对手区分开来的创新可以为激光供应商提供更多有吸引力的优势。
光纤激光器的独特之处在于，它们通过将能量泵入光纤电缆来产生相干光，而不需要复杂或敏感的光学器件。这种方式可以产生高度稳定的光，产生的光束通常具有高质量，这意味着它可以实现非常高的输出功率并聚焦到非常小的光斑尺寸。
光纤激光器可以创造高质量焊缝，是电动汽车电池生产的理想选择
当前，超过1 kW的光纤激光器已经在工业市场上常规可用。这样的功率输出足以穿透一英寸的钢铁。但最高功率的光纤激光器出现在国防工业中，它们被用作定向能武器，摧毁导弹或无人机等敌对目标。
国防专家诺斯罗普·格鲁曼公司为制造一些最高功率的光纤激光器铺平了道路，这些激光器用于对抗包括无人驾驶航空系统、火箭、大炮和迫击炮弹在内的威胁。该公司目前也在开发迄今为止能量最高的激光器，该激光器能够将输出功率扩大到1 MW。诺斯罗普·格鲁曼公司定向能总监Matt Keller表示：光纤激光器具有相对良好的转换效率、可靠性、光束质量、封装尺寸和易于集成等优点。
诺斯罗普·格鲁曼公司的激光武器系统演示机最近完成了美国海军波特兰号航空母舰的部署。150 kW级激光系统跟踪目标，并使用定向能量阻止和摧毁敌对的无人机、小型飞行器和其他威胁。据报道，这是迄今美国海军舰艇上部署的最强大的高能激光系统。
为了扩展光纤激光器的防御应用，激光源必须获得更高的系统功率以击败更棘手的威胁，例如远程巡航和高超音速导弹。诺斯罗普·格鲁曼公司实现这一目标的方法是专注于推进光纤激光放大器，特别是将来自多个放大器的光束组合在一起。
缩放光纤激光器的功率涉及到将多个光纤放大器的输出合并成单一光束。“这可以通过多种方式来实现，”Keller谈到，“过去十年中制造的许多高功率激光器都使用了光谱接缝组合。最近，相干光束组合已成为制造兆瓦级光纤激光器的一种技术途径。”
光谱光束组合通过光栅将不同波长的单个激光束组合在一起，很像通过棱镜分离太阳光的相反方向。通过将许多波长的光叠加在一起，可以实现向更高功率的缩放。相干光束组合通过控制每个光束的相位来结合相同波长的光束，从而产生一个单一的、强大的相干光束。相干光束组合系统通过简单地增加额外的光纤激光器并以同样的方式控制光束，可以扩展到更高的功率。
这种先进的光束组合技术使500 kW或兆瓦级激光器的生产成为可能，从而扩大了光纤激光器的范围，以应对更广泛的安全威胁。
在工业市场中，光纤激光器已经成功应用于材料加工。Coherent HIGHYAG Lasertechnologie GmbH的总经理Robert Kuba认为，高功率光纤激光器的竞争力将继续提高，因此，材料加工应用将进一步采用所有功率等级和不同类型的激光工具。
“在激光材料加工中提高激光功率可以提高产量，并最大限度地降低资本成本。今天的一个系统可以做昨天两个系统做的事情，”Kuba说，“光纤激光器功率的竞争性和可扩展性是我们看到性能提高的最大趋势。”
例如，更高的激光功率可以以更高的速度切割几毫米厚的金属。功率在6 kW-30 kW之间的激光切割系统使得切割非常厚的金属成为可能，甚至超过50 mm的厚度。现在激光器已经可以取代等离子切割设备。
用于超高功率激光系统的激光切割头必须能够实现高占空比，以使仪器的投资回报最大化，这就要求切割头内有坚固的光学器件
Kuba谈到，“与等离子切割相比，激光切割速度可以提升五倍，切割精度也提高了，切口宽度也变窄。超高功率机器的激光切割头需要实现高占空比，以最大限度地提高投资回报率。因此，光学器件的稳定性和散热系统至关重要。”
尽管许多光纤激光器制造商一直在将光纤激光器功率提高到20 kW以上，但TRUMPF一直致力于改善中低端光源的光束质量。该公司新的TruFibers系统具有与碟片激光器相似的光束质量，从而大大降低了光束浪费的功率。
TRUMPF北美OEM激光器高级产品经理Tracey Ryba表示：“过多的功率会导致光学元件上的热量和压力，使其难以冷却，这可能会导致焦距偏移，导致工艺不稳定，最坏的情况下还会导致光学元件过热和故障。在实际焊接或切割中，这并不太令人担忧，但当涉及到加工光学器件时，这一点就非常重要了。”
多家激光供应商正致力于通过提供旨在改善光束形状和交付的各种设计，来扩展高功率工艺头的能力。例如，允许斜切的切割头可以增加设备加工的灵活性，同时最大限度地提高工件的聚焦条件，提高切割性能。
其他发展包括努力增加数值孔径（NA），以确保激光头适用于光纤激光系统以及其他非光纤源。nLIGHT光纤激光技术副总裁Dahv Kliner表示：“增加数值孔径可以与更广泛的激光源兼容。它还便于功率扩展，因为随着总功率的增加，即使是超出NA极限的一小部分功率也会产生热问题。”
此外，变焦头也用于一些激光切割工具，通过允许工件上的光斑尺寸适应不同的材料和厚度，来提高性能和多功能性。光斑尺寸也可以针对不同的加工步骤而变化，例如在钻孔和切割之间切换。
Kuba说：“变焦头允许终端用户只使用一台设备就可以覆盖所有的应用程序。”他补充道：“设备的正常运行时间对投资回报至关重要，变焦光学器件能够全天候运行，用于加工各种金属，如软钢、不锈钢和铝，或用于加工不同厚度的材料。”
最近的另一个进步是使用透射光学器件而不是反射光学器件，来扩展到大于20 kW的高输出功率。反射头的优点是可以最大限度地减少对光学器件的热影响，并且更能容忍污染。然而，它们往往比透射头更大、更重。Coherent高意的新型透射蓝宝石光学器件为功率高达30 kW的激光器提供了光学性能，并具有抗污染损伤的弹性。Kliner说：“透镜和涂层质量、热设计和污染控制的进步，使透射头的功率缩放成为可能。”
控制污染是光纤激光器设计中的一个关键问题。由于切割头直接暴露在外，因此必须保护其光学器件免受高度污染的切割环境的影响。具体而言，密封条件必须符合IP65标准，能够承受从任何方向投射的水，从三米远的地方通过6.3 mm的喷水嘴，持续时间至少是3分钟，压力不超过30 kPa。除了使用紧密封外，保护光学器件的另一种方法是使用长焦距，使敏感光学元件远离加工过程。
进一步的发展涉及光纤激光器直接从激光器产生可调谐光束形状的能力，这可以为系统的切割速度、边缘质量和加工窗口提供优势。这些进步使更通用的切割工具能够在加工各种不同厚度的材料时优化性能。例如，nLIGHT的Corona光纤激光器提供功率高达20 kW的可调谐平顶、环形和鞍形光束。
Ryba说：“过去几年，我们看到光纤激光器增长最大的行业之一是电动汽车。例如，与典型的机械工具相比，纳秒脉冲光纤激光器可以提供更高质量、无毛刺和极快的电池箔材料切割，从而降低废料和制造成本。”
激光焊接电池最重要的部分是最大限度地减少电阻。Ryba表示，“我们正在减少产生热量的电阻，这可能会导致不良的电气性能，在极端情况下还可能会导致电池起火。”通过调整光束，使其具有高强度的中心光斑——在金属中形成一个锁孔或蒸汽通道——被一个较低强度的光环所包围，以防止锁孔顶部闭合，可以最大限度地提高焊接速度，同时将有害影响如飞溅和孔隙降至最低。
对激光切割和焊接进行实时监测，可以确保加工材料符合高质量标准
“光束成型最重要的进展之一是使用多芯纤维。”Ryba说。TRUMPF首创了这项技术，并在 2011年申请了专利，目的是一次使用一个芯来切割薄或厚的材料，或从切割转换到焊接应用。该技术最近的迭代可以在同一台激光器上实现多个输出，以提高性能。
与传统的单芯光纤激光器相比，多芯光纤激光焊接系统可以减少95%至100%的飞溅。这可以使焊接更牢固，减少清洁工具所需的维护并生产出更高质量的零件，如齿轮组件。
多芯光纤激光焊接系统的好处包括加工钢的焊接速度提高2至3倍，铝的孔隙率降低，不锈钢的焊接质量提高。减少飞溅对电动车制造应用也是有益的，因为卡在两个电池单元之间的飞溅球可能会反弹并在电池壁上磨出一个洞，可能会导致电池故障和火灾。多芯技术也让用同一台激光器焊接铝和铜片成为可能。
光纤激光器供应商IPG曾经有一半的销售额来自切割应用，但在过去两年里，他们看到焊接应用的数量达到了创纪录的水平。现在，焊接设备占到了IPG销售额的近三分之一。该公司的可调模式光束技术实现了无飞溅焊接，并且部分是针对电池制造的应用而推出的。该技术为传统上用于将铜线连接到电池终端和母线的超声波工具，提供了合适的替代方案。
6 kW-30 kW超高功率范围内的激光切割系统可以切割非常厚的金属
IPG全球营销高级总监David Fisher说，IPG激光器的终端应用在最开始时主要是平板切割，后来发展到包括焊接、医疗、3D打印、清洁、微处理、太阳能电池制造，以及最近的手持式焊接。如今对平板切割应用的依赖肯定减少了，尽管IPG在北美和欧洲仍可能继续看到这些应用的增长。
该公司最近推出了准连续波可调模式光束激光器，扩大了其电动车应用的产品范围。与连续波模式相比，其产生的峰值脉冲功率在10 μs至100 ms的脉冲持续时间内可提供10倍的能量。这使其适用于高精度焊接、精细切割和钻孔等应用，高脉冲能量可以启动或维持激光与材料的耦合，同时避免了连续波源产生的累积热量。
光纤激光器在材料加工应用中的效果推动了它们的成功和增长，并确保这些激光源将继续激发新的创新。这方面的例子包括先进的工艺传感器的出现，以监测和最大限度地提高产量和零件质量。对激光切割和焊接质量的实时监测确保了高标准的实现，有助于防止昂贵的质量缺陷。其他进展旨在通过在工具上进行维修来减少停机时间或服务成本，这在恶劣的环境中是一个特别的挑战。
多芯光纤激光器技术使激光功率在芯部和环形光纤之间灵活分配
“光纤激光器在未来几年将继续普及，”TRUMPF的Ryba说，“它们在小范围内提供了显著的工艺优势，具有低能耗和低维护需求。随着更高的功率出现，它们是传统等离子体和机械工艺的成本效益替代物。”
他同时也强调，激光系统的前期成本并不是选择任何工具时需要考虑的唯一指标。相关子系统的成本、运营成本以及任何维护或停机时间也是会影响因素。具有优化和可调谐光束形状的光纤激光器就可以提高加工速度、产量，而不只是提高输出功率。
nLIGHT的Kliner说：“对于某些加工场景，用户可以选择使用较低的激光功率。这就降低了前期成本和运营成本，减少了与维修高功率激光光学元件有关的停机时间。虽然光纤激光器多年来一直是激光市场中增长最快的部分，但供应商仍然看到了许多持续创新的机会。”
