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开启“光制造”时代

作者: 来源: 日期:2019-5-21 14:28:00 人气:412
光是传递信息的媒介和能量的载体,21 世纪是光的时代。光从组成物质的原子中发射出来,原子获得能量后处于不稳定状态(也就是激发状态),它会以光子的形式把能量发射出去。激光是一种纯色、准直、高亮、同向、能量密度极高的光子队列,常常被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。

激光的应用很广泛,主要有激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光光谱、激光测距等等。

激光器是所有激光应用产品的核心部件。产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗,所以装置中必不可少的组成部分有激励源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激光器中常见的组成部分还有谐振腔,但谐振腔并非必不可少的组成部分,谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向,从而使激光具有良好的方向性和相干性。按工作介质分,激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和液体激光器四大类,近来还发展了自由电子激光器。

激光器功能明显分化,着重传递信息和运载能量。从 20 世纪 70 年代末开始,激光器明显向着两个方向发展,一类是以传递信息为目的的信息型激光器,主要使用在光纤通信方面,作为光纤通信的主要光源,主要是是半导体激光器。另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器,也就是能量激光方向,应用在激光加工、激光武器、激光矫视、美容等以能量使用为目的的地方。

激光器正在向高功率、集成化、高效率的方向发展。目前,全球激光器市场一派兴旺。集成化的半导体激光器迅速增长;高功率的超短超强飞秒激光器可用于激光核聚变实验和高能量密度物理研究,在商用上也有巨大的潜力;飞秒激光器可用于光纤通信可扩展通信宽带。近年来,中远红外激光器、极紫外激光器等也得到了发展,现已有近千种工作介质,可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外,光谱范围越来越宽。激光器的出光效率也越来越高,新型 YAG 激光器的斜度效率在泵浦功率>20W 时约为 81%。

激光器将继续在全球的现有市场和新兴市场中发挥重要作用。据统计 2016 年激光主要两大应用是通信和工业加工,分别占总收入的 34%和 30%,预计 2017年全球工业激光器的销售额将增长至接近 35 亿美元,将比 2016 年销售额 31.57 亿美元增长约 8.36%。很大程度上受到激光微加工领域收入增长所带来的积极影响,光纤激光器在 2015 年实现了十亿美元的水平,并且在 2016 年延续了强劲的双位数增长。但同时低功率产品价格下跌,因市场经济原因造成的用于钣金切割的高功率 CO2 激光器的订单量略有下滑。激光设备:激光大有可为,应用设备前景广阔


激光设备将激光器与其余模块相结合并广泛应用于各个领域。激光设备主要由光学系统、机械系统和数控系统组成,按照不同功率分类,一般将平均功率在 100W 以下的激光器称为低功率激光器,100-1000W 为中功率激光器,1000W 以上的称为高功率激光器。小功率激光器主要应用于电子、陶瓷、玻璃、五金、纺织、汽车零部件等轻工业制造,而高功率激光器一般运用于钣金加工、大型机械制造、石油化工、航空航天等重型设备的制造。从激光加工设备应用来看,切割、打标、焊接是重要的三种加工方式。据统计,全球整个激光市场收入规模约为 104 亿美元,其中激光加工设备收入规模为 31.7 亿美元。激光加工设备 66%的收入是来自于切割、打标和焊接这三种加工方式。

近年来,激光打标市场的销售逐年递增,这是因为打标几乎已成为类似于复印机的一种商品,产品的单价也逐年下降。金属切削和焊接是高功率激光加工收入的增长驱动因素,特别是钣金切割,2016 年全球共售出超过 7,000 套相关的激光系统和激光器,占总收入的76%以上,亚洲仍然是激光钣金切割的最大市场。加速的大功率激光焊接应用,其中包括对石油管道的超高功率的光纤激光焊接,持续推动了高功率激光加工市场的发展。光纤激光器销量大幅增长,高功率激光加工市场强势依旧。

2016 年高功率激光加工市场收入增长为 4.5%。其中,高功率光纤激光器收入占高功率激光加工设备总收入的近 50%,增长率达到 10.9%,继续占据主导地位。用户越来越多地将这类激光器用于焊接和切割等应用领域,就工艺速度和质量来看,光纤激光器能够媲美同等功率的 CO2 激光器,但前者在营运成本和能源效率方面却要优于后者。此外,高功率和高亮度的直接半导体激光器正获得越来越大的市场份额,因为更多的集成商正在开发和引入用于钎焊、焊接和切割应用的激光系统。

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