發(fā)布首臺近單模2000W連續(xù)綠光激光器，公大激光為銅材料3D打印提供更多可能

來源：公大激光

激光技術(shù),，自20世紀(jì)中葉誕生以來，已成為現(xiàn)代科技的基石之一,，其發(fā)展背景豐富而深遠,。1960年，第一臺激光器的問世標(biāo)志著一個新時代的開啟,，梅曼利用紅寶石晶體成功產(chǎn)生了相干光,，這種新型光源具有前所未有的單色性、相干性和方向性,，為科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用開辟了新天地,。進入21世紀(jì)后，隨著半導(dǎo)體泵浦技術(shù),、光纖激光技術(shù)和超快激光技術(shù)的發(fā)展,，激光技術(shù)迎來了新的飛躍。半導(dǎo)體泵浦技術(shù)提高了激光器的電光轉(zhuǎn)換效率,，降低了制造成本,。光纖激光器以其高功率、高穩(wěn)定性和緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計,，成為工業(yè)加工的優(yōu)選,。超快激光器則以其超短脈沖特性，在微納加工和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力,。當(dāng)前,，激光技術(shù)正朝著更高功率、更高精度和更廣泛應(yīng)用的方向發(fā)展。

隨著光纖激光器技術(shù)的快速發(fā)展,，激光器的輸出功率,、光束質(zhì)量和電光效率不斷提高，為高功率綠光激光器的研發(fā)提供了技術(shù)基礎(chǔ),。非線性光學(xué)倍頻技術(shù)的發(fā)展,，使得從紅外光纖激光器轉(zhuǎn)換到綠光激光器成為可能，提高了綠光激光器的輸出功率,。在工業(yè)加工領(lǐng)域,，高功率激光設(shè)備在航空航天、汽車制造,、船舶制造等領(lǐng)域的切割,、焊接、打標(biāo),、測量發(fā)揮著重要的作用,；在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，激光的精確性和控制能力使其在眼科手術(shù),、皮膚治療和其他醫(yī)療程序中得到廣泛應(yīng)用,。激光技術(shù)已經(jīng)滲透到日常生活的方方面面，從工業(yè)制造到藝術(shù)創(chuàng)作,，再到科學(xué)研究,。隨著技術(shù)的進步，高功率激光器的研發(fā)使得激光在工業(yè)加工能力上得到顯著提升,。

高功率,、短波長激光的應(yīng)用發(fā)展及優(yōu)勢
高功率綠光激光器的發(fā)展備受關(guān)注。連續(xù)光纖激光器由于其運轉(zhuǎn)模式連續(xù)及其波導(dǎo)式結(jié)構(gòu)的特點,，具有輸出激光能量均勻,、高增益、高轉(zhuǎn)換效率,、可實現(xiàn)超高功率輸出,、光束質(zhì)量較好、容易實現(xiàn)單模輸出和性能穩(wěn)定等優(yōu)點,。

激光與材料相互作用的原理是復(fù)雜多樣的,，不同的激光參數(shù)（如波長、功率,、脈沖寬度等）和材料特性會導(dǎo)致不同的相互作用效果,。這些相互作用的結(jié)果在激光技術(shù)的應(yīng)用中有著廣泛的利用，如材料加工,、醫(yī)療治療,、科學(xué)研究等。

銅材料是世界上應(yīng)用最廣的金屬材料之一，在常溫條件下,，如圖1所示,，銅材對1064nm波段的激光吸收率只有不到5%，而對532nm的綠光的吸收率可以達到40%,，相當(dāng)于是近紅外波段激光的8倍,。而銅材大量應(yīng)用于鋰電、微電子等行業(yè),，目前工業(yè)界使用最多的是1064nm波段的近紅外激光器,，由于銅對1064nm波段激光吸收率低從而會在加工過程中出現(xiàn)效率低、氣泡,、飛濺等問題,，而綠光激光用于銅等高反材料的切割、焊接,、增材制造應(yīng)用的效果比近紅外激光效果有明顯優(yōu)勢,。因此實現(xiàn)高功率、高效率的連續(xù)綠光輸出成為激光器的研究熱點之一,。

△圖1. 銅對不同波長的吸收率

引自《高功率連續(xù)綠光激光器的研究進展》

圖2表示了幾種典型粉末材料對不同波長激光的吸收率曲線圖,。可以看出不同材料對不同波長激光的吸收率曲線不同,。加工過程中材料吸收的激光能量可以轉(zhuǎn)化為熱能,，導(dǎo)致材料局部溫度升高,。這種熱效應(yīng)在激光切割,、焊接和熱處理等過程中非常重要，導(dǎo)致材料發(fā)生相變,，如熔化,、蒸發(fā)或升華。

△圖2. 典型粉末材料對各波長激光的吸收率

綠光激光器的一個重要應(yīng)用是3D打印技術(shù),。在金屬3D打印領(lǐng)域,，綠光激光器可以提高打印質(zhì)量，實現(xiàn)純銅材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D 打印,，圖3為單模連續(xù)綠光光纖激光器純銅打印分析結(jié)果,，設(shè)備集成商為希禾增材，采用公大激光推出的500W單模綠光激光器作為打印光源,。

△圖3. 單模連續(xù)綠光光纖激光器打印純銅（希禾增材）（致密度≥99.5%）

使用單模連續(xù)綠光光纖激光器作為光源,，在打印純銅方面的應(yīng)用是一個相對較新的技術(shù)領(lǐng)域，它利用了綠光激光器的光束特性來克服傳統(tǒng)激光技術(shù)在處理高反射材料時遇到的挑戰(zhàn),。由于純銅對綠光的吸收率遠高于對近紅外光的吸收率,，使得綠光激光器在銅材料的加工上更為有效。另一方面，單模激光器產(chǎn)生的光束具有很高的質(zhì)量和一致性,，這對于精密加工至關(guān)重要,，尤其是在打印純銅時，可以確保打印過程的精細度和一致性,。

△圖4. 希禾增材XH-M160G 3D打印的純銅熱處理感應(yīng)器

△圖5. 希禾增材XH-M160G 3D打印的純銅電機繞組

而在短波長激光器的開發(fā)中,，紫外（UV）激光器和藍光激光器因其獨特的應(yīng)用特性而備受關(guān)注。由于紫外激光波長較短,，對材料的純度和光學(xué)特性要求極高,，目前難以找到能夠承受高功率紫外激光的材料，市場上出現(xiàn)的超過百瓦的紫外激光器并不多見,。藍光激光器雖然目前已有制造商實現(xiàn)了千瓦級的功率輸出,，但在光纖合束前，藍光激光器需要進行空間合束,，這一過程對激光光束的質(zhì)量,、穩(wěn)定性和功率分布有嚴(yán)格要求，與光纖激光器相比,，藍光激光器的光束質(zhì)量較差,，這限制了其在某些精密加工應(yīng)用中的性能。

另一方面,，經(jīng)過各國科研人員的努力,，商用的綠光激光器近年取得較大的進展。德國通快集團(TRUMPF)于2021年推出高功率連續(xù)綠光碟片激光器TruDisk 3022,，能夠提供多模3kW的最高輸出功率,，是目前綠激光系列中的最高功率，展示了其在銅材焊接方面的應(yīng)用優(yōu)勢,，但其價格非常昂貴,。美國IPG公司于2022年推出了世界上第一臺千瓦級單模納秒脈沖綠光激光器GLPN-1000，可提供高達1kW的平均功率,，整機體積小巧,，電光轉(zhuǎn)換效率高達25%，引起了產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注,。

希禾增材綠激光金屬3D打印機
2023年9月,，公大激光的全資子公司——深圳希禾增材發(fā)布了首款綠激光金屬3D打印機XH-M160G，成型尺寸160×160×200mm,，可打印銅,、鋁、金等高反射金屬,，打破了國內(nèi)空白,，隨著綠光金屬3D打印技術(shù)的逐步普及應(yīng)用,，市場需求更大成型尺寸的設(shè)備。

△ 2024上海TCT展會南極熊采訪希禾增材

2024年3月,，希禾增材又推出最新的綠激光金屬3D打印機XH-M350G,，凈成型尺寸達到350*350*500mm，可選配單/雙綠激光,，可以滿足大部分當(dāng)前市場上打印紫銅（Cu）,、銅鉻鋯（CuCrZr）、銅鉻鈮（CuCrNb）,、錫青銅（CuSn10）,、銅鋁合金、銅鎳合金,、鎢,、鉭、黃金,、鉑金等材料,。

△希禾增材綠激光金屬3D打印機XH-M350G

近單模2千瓦連續(xù)綠光激光器
據(jù)市場研究公司Optech Consulting的最新報告顯示，2023 年全球材料加工激光系統(tǒng)市場規(guī)模估計為 235 億美元,，同比增長 4%,。隨著高端制造業(yè)的發(fā)展，對高功率綠光激光器的需求不斷增長,。

深圳公大激光,，主要從事“先進短波長光纖激光器"和“激光精密加工解決方案”的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售,，是一家專注于中高功率短波長（綠光和紫外）全光纖激光器的研發(fā),、生產(chǎn)和應(yīng)用方案的激光器公司。公大激光繼2022年推出的500W單模綠光激光器和2023年推出的1000W單模和和3000W多模連續(xù)綠光激光器之后,，本次新推出最高輸出功率達到2千瓦近單模綠光光纖激光器,，已得到終端相關(guān)行業(yè)客戶的測試驗證,。

△圖6. 近單模2千瓦連續(xù)綠光激光器產(chǎn)品

主要激光特性,，測試結(jié)果如下：
（1）激光器基本參數(shù)

△表1. 激光器基本參數(shù)

（2）功率穩(wěn)定性，連續(xù)出光拷機12h,，整機功率波動小于1.5%

圖7. 12小時功率穩(wěn)定性測試曲線

（3）光斑能量分布測試

△圖8. 光斑能量分布測試圖

（4）光束質(zhì)量測試

△圖9. 光束質(zhì)量測試圖@2千瓦

四,、結(jié)語與展望
公大激光最新推出的近單模2千瓦連續(xù)綠光激光器，是全球最高平均功率的準(zhǔn)單模連續(xù)光纖綠光激光器,。該產(chǎn)品的推出,，為高反材料的加工提供了更充足的能量，近單模輸出保證了激光光束的高質(zhì)量和一致性,，有望為厚銅材加工帶來的更高焊接質(zhì)量,、更高效率和熔深,。全光纖基頻和腔外倍頻的結(jié)構(gòu)，提供了高度的穩(wěn)定性和可靠性,，同時保證了激光器的緊湊性和易集成性,。隨著技術(shù)的不斷進步和市場的不斷成熟，我們有理由相信,，高功率光纖綠光激光器將為社會帶來更多的可能性,。

高功率綠光在銅材精密焊接上有著明顯優(yōu)勢，特別在電控的IGBT和扁線電機焊接上,，具有熱影響小,，飛濺小，拉力穩(wěn)定,，良率高,。除了在銅等高反金屬材料焊接上有突出的物理特性優(yōu)勢；還在高精密,、高效率銅材料3D打印上,，有著巨大的應(yīng)用潛力。

未來,，公大激光將繼續(xù)努力,，開發(fā)更多創(chuàng)新技術(shù)，進一步提高激光器的功率,、效率和可靠性,，同時降低成本，匹配更多重要的應(yīng)用場景,，為全球高端制造升級貢獻力量,。