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背景
在过去几十年里，Nd:YAG脉冲激光器一直是材料加工的主力军，其中相当一部分机器的使用时间甚至已经超过30年。其中，波长为1070 nm的脉冲激光器应用最为广泛，比如医疗器械、航空、电子等等。尽管如此，在某些方面，这种激光器仍有待改进，比如峰值功率高，但平均功率低，电效率不高，功率提升时光束质量不稳定，聚焦光斑尺寸近似高斯光束，在获得稳定输出之前需要几轮脉冲预热等等。然而，纵有种种不尽如人意，这种激光器还是在相当长一段时间里发挥着重要的作用。在航空领域，Nd:YAG脉冲激光器更是占据着主导地位，广泛用于各种器件的冷却孔加工。
为何选择光纤激光器
图1：平顶模式
鉴于光纤激光器的应用方式灵活多样，不仅可以作为新机安装，也可以对现有生产线进行升级，所以正在占据越来越多的市场份额。之前所有使用Nd:YAG激光器的生产系统都能转换为光纤激光器。随着市场需求的发展，现在已有峰值功率达到20 kW高功率光纤激光器可供选择（见下表）。
上述峰值功率及平均功率已经可以覆盖从微加工到大型加工，从微钻孔到大型钻孔，薄厚板材切割，深雕等多种应用需求。
航空领域的钻孔需求
图2：脉冲钻孔，左侧孔径为0.010 in，右侧孔径为0.030 in
航空领域还有一个特殊的钻孔需求，就是连接限流孔的扇形孔（如图3所示）。这些扇形孔是冷却空气的出口，目的是将同等流量的空气分流至更大的范围，以达到更好的冷却效果。目前，生产扇形孔的工艺主要有以下几种：第一种是小光斑调Q激光器+扫描仪。扫描仪用于扫描限流孔出口处的形态。使用这种方法加工扇形孔，需要两台机器分头操作；第二种方法是缩小光斑尺寸创造锥度，然后利用CNC套形，但是这种方法比搭载扫描仪的“二步法”慢得多；第三种方法是利用EDM钻孔技术，在形成限流孔后再增加一个扇形孔。有一点很重要，就是在钻扇形孔时，需要避免热障涂层的剥离，而现在绝大多数器件上都有热障涂层。
图3：连接限流孔的A .030 in扇形孔
光纤激光器在航空领域钻孔应用
光纤激光器的特点是可以以平顶模式输出，而Nd:YAG激光器则为近似高斯模式。所以，得益于平顶模式，前者全部能量均超过蒸发阈值，而后者则有相当一部分在阈值之下。研究显示，在相同条件下达到相同钻孔效果，光纤激光器所需耗费的能量更少，究其原因，就是方波+平顶模式。也正是因为这个特性，光纤激光器在钻孔时效率更高，热损伤更少。热损伤少了，涂层剥离及重铸层均会随之改善。
Nd:YAG激光器之所以曾经备受关注，其原因之一就是独特的光束发散属性，其光斑尺寸能随着功率的升高或降低改变，只要经过重新调焦，就能达到所需孔径。有的Nd:YAG激光器集成了内调焦望远镜，用于改变光束的发散角，但是这种调整需要操作人员具有极高的专业度，耗时，还要有正确的参数，所以很多人不看好这种方法。在这一点上，光纤激光器正好相反，因为其聚焦形状为完美的圆形，所以在功率升高或降低时均不会发生改变，而且，如果在系统中置入一个可缩放的望远镜，就能够在飞行钻孔时直接改变聚焦光斑的大小。范围通常为3-1。
光纤激光器的灵活性远在Nd:YAG激光器之上，这主要是由于前者的高应答二极管能够在飞行钻孔时改变脉冲周期和功率大小，使操作人员能够利用不同的功率大小及脉冲周期，创建所需的脉冲序列。比如，在开始钻孔时用低功率、短脉冲，然后根据特定的钻孔需求，按照序列提高功率和脉冲。由于光纤激光器能够在提供千瓦级高峰值功率的同时，调整光斑尺寸及脉冲周期（低至10 μs），所以只用一台机器就够了。
使用套孔技术时，光纤激光器的加工速度能达到灯泵浦Nd:YAG脉冲激光器的10倍。不仅如此，飞行钻孔时，光纤激光器还能转换为功率高达2 kW的连续输出，实现高速切割。对于某些燃烧室设计而言，这一数据还能进一步提升。综上所述，脉冲光纤激光器是切割较厚板材以及高速钻孔应用的理想选择。
光纤激光器与生产系统
作者: Bill Shiner, IPG光子公司工业市场副总裁
QCW光纤激光器冲击钻孔
