機器人是高度柔性加工系統, 它對激光器的首位要求是具有高度的光束傳輸柔性, 此外還要求激光器具有光束質量高、穩定、可靠、體積小、重量輕等特點, 便于與機器人進行耦合集成。

       激光加工機器人的第一代光源是軸流CO2 激光器。但CO2 激光波長10. 6 μm 不能光纖傳輸。CO2 激光器笨重地組裝在機器人上, 光束依靠光學反射鏡轉折傳輸, 光路體積大重量大, 加工柔性小,應用受到很大的限制。20 世紀90 年代后, 千瓦級燈抽運Nd：YAG 激光器和二極管抽運全固態激光器( DPSSL) 成為激光加工機器人的第二代光源, 光束可以光纖傳輸并與機器人耦合, 光路體積大為縮小, 具有很高的加工柔性。21 世紀初, 隨著激光技術飛速發展, 涌現出多種具有高度柔性的可光纖傳輸的高功率工業型激光器: 光纖激光器、盤片激光器和半導體激光器, 成為激光加工機器人的第三代光源。第三代光源體積大大縮小, 集成后的機器人體積小重量輕, 可以實現現場流動作業; 全光纖傳輸加工柔性大大增強; 激光能量可以分成多路傳輸, 實現多路加工; 極細的光纖可以傳輸大功率光束, 可以在很小空間內進行加工。

      日本在2005 年研制出平均輸出功率10 kW電光效率大于20% 的高功率全固態激光器。德國Trumpf 公司已有LD 抽運的2, 4. 5 和6 kW 系列YAG激光器, 光束質量分別為12, 16 和25 mm •mrad。圖1是德國Rofin 公司6 kW級LD抽運YAG 激光器外形及原理圖, 主要技術指標為:波長1. 06 μm; 最大功率5. 5 kW( 工件上4 kW) ; 光束質量25 mm •mrad。全固態激光器提高了輸出功率和光束質量, 可以用于激光切割、焊接、打孔、雕刻、熱處理和熔覆等作業。
 

                 圖1 Ro fin 公司LD 抽運YAG 激光器

       德國IPG Photonics 公司采用組束技術, 在2005 年德國慕尼黑國際激光和光電子展覽會上推出系列的高功率光纖激光器,光纖激光器成為工業激光的主流產品和未來趨向。

       光纖激光與YAG激光相比, 具有一系列優點:

       1) 輸出功率高達1~ 50 kW, 20 kW 已經商品化, 是目前國際上功率最高的激光器。波長1. 070 μm, 材料吸收率高。可用于焊接、切割、打標、雕刻、熔覆及再制造等各類激光加工作業。

       2) 光束質量優良( 11. 6 mm •mrad) , 焦點光斑直徑微小( 10~ 100 μm) , 光束幾乎呈平行傳輸, 實現激光遠距離加工。
       3) 體積小, 重量輕, 便于移動。光纖傳輸柔性高, 易與工業機器人等配合, 實現高度自動化現場加工。

       IPG 公司YLR-7000 光纖激光器最大輸出功率( 工件上) 6. 9 kW, 光斑直徑519 μm, 波長( 1070±5) nm, 光束質量18. 5 mm •mrad, 光纖芯徑300μm , 效率20%。YLR-10 kW光纖激光器主要參數: 最大輸出功率( 工件上)10. 5 kW, f = 200 mm 時光斑直徑360 μm, 波長(1070±5) nm, 光束質量11. 6 mm •mrad, 光纖芯徑200μm, 效率25%，YLR-17 kW光纖激光器主要參數:
大輸出功率( 工件上) 16. 7 kW, f = 420 mm時光斑直徑420 !m, 波長(1070±5) nm, 光束質量11. 7 mm •mrad, 光纖芯徑200μm, 效率30%。

       2005 年德國通快( Trumpf) 公司在德國慕尼黑國際激光和光電子展覽會上推出2 kW, 4 kW系列的新型激光器——盤片激光器。圖2為HLD-4002外觀。

                                           圖2  HLD-4002外觀

        盤狀激光器優點:
       1) 功率輸出高達5 kW, 波長1. 030μm, 材料吸收率高。已經商品化, 可用于焊接、切割、打標、雕刻、熔覆及再制造等各類激光加工作業。
       2) 光束質量比光纖激光更優良(8mm •mrad) ,光束呈平行傳輸, 激光遠距離加工能力更強。
       3) 光電轉換效率高達25% 。運行壽命長成本低, 工作環境常溫, 維護方便。
       4) 光纖傳輸, 柔性高, 易與工業機器人等配合,多路光纜輸出, 多個工作站同時工作。
       盤狀激光器比光纖激光器光束質量高, 但不易達到萬瓦級功率水平, 而且體積和重量大, 不適于現場流動作業, 這些方面光纖激光器具有明顯優勢。

       大功率半導體激光器一般分為單管型和陣列型兩種類型, 二維陣列又有單片陣列和疊層陣列兩種, 采用疊層陣列輸出功率可以高達百瓦、千瓦, 甚至準連續輸出功率達萬瓦以上,而這些器件的能量轉換效率可高達百分之幾十。但是半導體激光器存在較大的缺點: 激光性能受溫度影響大, 光束的發散角較大。因而, 在激光加工領域半導體激光器主要用于激光熱處理、激光熔覆等, 不適于激光切割、焊接、打孔、雕刻等要求光束質量高的應用。它體積小、重量輕、可以光纖傳輸、易與工業機器人等配合集成; 便于移動, 更適于現場流動作業, 這些方面比YAG、光纖、盤片等激光器具有明顯優勢。

       圖3 給出了幾種不同光源光束質量比較( IPG公司生產的單模、多模光纖激光器, Trumpf 公司生產的盤片激光器, LD 抽運YAG 激光器, 燈抽運YAG 激光器和CO2 激光器) 。可見, 當激光功率小于1000 W, YAG 激光器( 燈抽運、LD 抽運) 、光纖激
光器( 單模、多模) 和盤片激光器的光束質量都優于快軸流CO2 激光器。當激光功率大于1000 W,YA G 激光器光束質量最差: 燈抽運YAG 激光器光束參數積( BPP) 為23. 9mm •mrad, LD 抽運YA G激光器BPP 為15. 6 8mm •mrad。當激光功率達到10000 W, 光纖激光器( 單模、多模) 和盤片激光器的光束質量幾乎和快軸流CO2 激光器相當, BPP值基本為10~ 12 8mm •mrad。

                                    圖3 幾種激光器光束質量比較