此前，在日本橫濱舉行的“2021年光學(xué)與光子學(xué)國(guó)際展覽會(huì)”期間，濱松光電展示了由新開(kāi)發(fā)的工業(yè)脈沖激光系統(tǒng)加工的樣品。據(jù)該公司提供的資料顯示，新脈沖激光系統(tǒng)的激光二極管泵浦激光器打破了過(guò)去的世界紀(jì)錄，最高脈沖能量達(dá)250J。

新激光系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，源自日本新能源與工業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）支持的“下一代激光加工技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目。新激光系統(tǒng)提高了激光介質(zhì)的能量存儲(chǔ)能力和光束質(zhì)量，并提供兩倍以上的能量放大能力，同時(shí)仍可以與當(dāng)前的工業(yè)脈沖激光器保持相同的體積大小。

■濱松光電250J新激光脈沖系統(tǒng)，體積和現(xiàn)有激光加工系統(tǒng)差不多大

從該激光系統(tǒng)獲取和整合的加工數(shù)據(jù)，得以讓工程師建立起一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)使用人工智能的方式優(yōu)化激光加工工藝。新系統(tǒng)不僅將簡(jiǎn)化現(xiàn)有的激光加工流程，還將開(kāi)辟能源、醫(yī)療和其他應(yīng)用領(lǐng)域的新應(yīng)用場(chǎng)景。

在未來(lái)的工業(yè)加工中，生產(chǎn)設(shè)備將與云端連接并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，使用人工智能技術(shù)將為企業(yè)最大程度節(jié)省人工成本。這些行業(yè)趨勢(shì)的變化為激光加工奠定了基礎(chǔ)。濱松光電認(rèn)為，激光加工因其數(shù)字化控制的優(yōu)勢(shì)，將成為未來(lái)工業(yè)智能制造的主要生產(chǎn)工具。 

■激光介質(zhì)由激光二極管模塊泵浦并儲(chǔ)存能量。當(dāng)脈沖激光束通過(guò)激光介質(zhì)時(shí)，它從激光介質(zhì)接收能量并提高輸出功率

現(xiàn)在，用于材料加工和機(jī)械加工的激光器大致可分為兩類，一類是以恒定強(qiáng)度連續(xù)發(fā)光的連續(xù)波激光器；另一組是脈沖激光器，以非常短的時(shí)間間隔重復(fù)發(fā)射脈沖激光。連續(xù)波激光器多用于激光焊接和激光切割等熱處理任務(wù)，使其成為當(dāng)前激光加工行業(yè)的主流工具。

另一方面，根據(jù)濱松光電的說(shuō)法，脈沖激光器尚未廣泛應(yīng)用的主要原因是開(kāi)發(fā)高功率脈沖激光系統(tǒng)所需的高功率半導(dǎo)體激光器（激光二極管）和大尺寸激光介質(zhì)尚未可用，同時(shí)增加了企業(yè)通過(guò)創(chuàng)建新系統(tǒng)突破加工瓶頸（例如最佳輻照時(shí)間和能量）的難度。

為了克服這些挑戰(zhàn)，濱松光電始終致力于開(kāi)發(fā)高功率脈沖激光系統(tǒng)，作為“基于高亮度和高效下一代先進(jìn)智能激光加工開(kāi)發(fā)項(xiàng)目”的一部分，同時(shí)得到了日本新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展機(jī)構(gòu)支持。2019年，公司開(kāi)發(fā)出脈沖能量為117J的工業(yè)脈沖激光器，采用4個(gè)激光二極管模塊和2個(gè)激光放大器，每個(gè)模塊配備6塊陶瓷激光介質(zhì)。

此次發(fā)布的新工業(yè)脈沖激光系統(tǒng)，再度打破了原先的數(shù)據(jù)紀(jì)錄，將激光脈沖能力進(jìn)一步提升至250J。下面的這張圖顯示了新系統(tǒng)的主要特征，包括系統(tǒng)波長(zhǎng)1030nm、脈沖寬度30ns且可變。

■新激光系統(tǒng)的主要參數(shù)

據(jù)公司發(fā)布的公告顯示，與之前的系統(tǒng)相比，新激光系統(tǒng)的光能存儲(chǔ)容量大約增加了1倍。通過(guò)安裝由10個(gè)陶瓷盤(pán)組成的激光介質(zhì)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，每個(gè)陶瓷盤(pán)具有世界上最大的表面積，并針對(duì)激光介質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化。

■新開(kāi)發(fā)的脈沖激光放大器的結(jié)構(gòu)

此外，濱松光電還重新評(píng)估和改進(jìn)了放大器設(shè)計(jì)，使用了8個(gè)緊湊型激光二極管模塊。這樣做是為了提高激光介質(zhì)的泵浦效率，將泵浦能力提高到原系統(tǒng)的兩倍左右。更為重要的是。改進(jìn)之后還實(shí)現(xiàn)了高光束質(zhì)量，使其具有良好的光聚焦特性。通過(guò)優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)，在照射表面上獲得高度均勻的輸出分布。最終讓新開(kāi)發(fā)的激光二極管泵浦激光器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了目前最高的脈沖能量。