光纖激光器具有無(wú)與倫比的生產(chǎn)率、是精度和成本效益的組合，因此主導(dǎo)了鈑金切割市場(chǎng)。2-6kW范圍的光纖激光器已成為許多制造車間的主力，與傳統(tǒng)切割技術(shù)如二氧化碳（CO2）激光器和等離子體焰炬相比，它能提供更快、更精確的薄金屬切割。然而，許多光纖激光器系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成僅適用于有限厚度范圍內(nèi)的金屬切割，特別是在此情況下，小而緊密聚焦的激光束能為薄規(guī)格的材料提供最快的切割速度，但對(duì)于較厚的板材，這種小光束在處理邊緣質(zhì)量和最大厚度方面存在較大的局限?；蛘?，由于切口較寬、較大光束可以提高厚板的邊緣質(zhì)量，但對(duì)于切割薄板則會(huì)發(fā)生很大的速度損失。
大型制造車間可以購(gòu)買多個(gè)光纖激光工具，其中每種工具專用于切割特定的厚度范圍：用于輕型規(guī)格的小光束系統(tǒng)和用于較厚板材的大光束系統(tǒng)。對(duì)于只倚靠一種工具來(lái)切割所有金屬的較小制造車間來(lái)說(shuō)，如果被限于某個(gè)固定尺寸，那么降低生產(chǎn)率將會(huì)被降低，特別是在面對(duì)不同的作業(yè)組合時(shí)。這些車間通常會(huì)改變切割頭中的聚焦透鏡，以更好地優(yōu)化給定作業(yè)的激光光斑尺寸。當(dāng)激光器不能進(jìn)行切割時(shí)，每次改變透鏡都會(huì)造成生產(chǎn)效率的損失，并且存在污染透鏡和切割頭的風(fēng)險(xiǎn)，這可能導(dǎo)致災(zāi)難性的故障以及較高的維修和停機(jī)成本。
自動(dòng)調(diào)整激光光斑尺寸的能力將大大擴(kuò)展光纖激光器的適用性、生產(chǎn)效率和工藝窗口。大多數(shù)現(xiàn)行方法需要自由空間光學(xué)的機(jī)動(dòng)。例如，變焦切割頭、改變光纖發(fā)射條件的光纖-光纖或自由空間-光纖耦合器、或耦合到獨(dú)立加工光纖的2-4輸出光纖-光纖切換。這樣的自由空間光學(xué)方法會(huì)顯著增加成本和復(fù)雜性，并且會(huì)降低工具的性能和可靠性。它們對(duì)失調(diào)、污染和環(huán)境條件（溫度、振動(dòng)）敏感，造成功率依賴性（熱透鏡）、光損耗并（或）降低切換速度。變焦切割頭在頭部?jī)?nèi)裝有電動(dòng)鏡片，比標(biāo)準(zhǔn)切割頭更大、更重，從而降低了加速性能，并對(duì)龍門和電機(jī)提出了額外的設(shè)計(jì)要求。使用這些方法的工具設(shè)計(jì)者需要將成本、性能和可靠性方面的負(fù)擔(dān)傳遞給客戶（最終用戶）。
由于現(xiàn)有激光源的光斑尺寸缺乏可調(diào)性，因此會(huì)迫使工具集成商和制造商在作業(yè)組合的靈活性和工具性能及可靠性之間進(jìn)行選擇。這種妥協(xié)提高了成本，并降低了生產(chǎn)率。
光纖激光器的突破
nLIGHT開發(fā)出一種新穎的全光纖技術(shù)（Corona），它能直接從饋送光纖快速調(diào)整光纖激光光斑尺寸超過(guò)3倍，而不會(huì)帶來(lái)比自由空間方法更大的任何缺點(diǎn)。此外，Corona光纖激光器能提供可改善不同金屬切割質(zhì)量的光束形狀，包括平頂光束和環(huán)形（甜甜圈）光束。與傳統(tǒng)光纖激光器相比，4kW功率級(jí)別的Corona光纖激光器可將低碳鋼、不銹鋼、鋁和銅板材的切割厚度明顯提高到1英寸，從而能夠開發(fā)出適用于切割較大厚度范圍金屬的通用工具。
圖1：帶六個(gè)指標(biāo)設(shè)置的4kW Corona 光纖激光器的光束直徑。底部圖像顯示用CMOS 相機(jī)記錄的相應(yīng)近場(chǎng)空間輪廓（即切割頭下方焦點(diǎn)附近的光束形狀）。光束圖像下給出了BPP 值。
Corona光纖激光器輸出光束可在~100µm與~300µm之間連續(xù)調(diào)諧。為便于工藝優(yōu)化，提供了固定數(shù)字設(shè)置（指標(biāo)值）。圖1顯示了帶六個(gè)指標(biāo)設(shè)置的Corona光纖激光器的輸出光束直徑、光束參數(shù)結(jié)果（BPP）值和光束形狀。
如圖1所示，光束圖像中清楚顯示出饋送光纖被劃分為引導(dǎo)激光束的區(qū)域。多種不同的Corona纖維設(shè)計(jì)有可能適應(yīng)范圍廣泛的應(yīng)用。在圖1所示的設(shè)計(jì)中，饋送光纖包括一個(gè)100µm的中心芯，由兩個(gè)直徑分別為200µm和300µm的環(huán)形導(dǎo)引區(qū)域包圍，通過(guò)改變這三個(gè)導(dǎo)引區(qū)域之間的激光功率分配，可調(diào)整光束直徑和光束形狀。Corona關(guān)鍵且前所未有的特點(diǎn)是，這種光束形狀的調(diào)整全部都在光纖內(nèi)完成，不涉及自由空間光學(xué)，從而保持了光纖激光器的所有性能、穩(wěn)定性、效率和可靠性優(yōu)勢(shì)。在每個(gè)參數(shù)設(shè)置都可以獲得完整的激光功率。
Corona的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是光束調(diào)諧非常迅速，從最小直徑到最大直徑的過(guò)渡時(shí)間不足30ms。光纖激光器在參數(shù)變化期間持續(xù)以全功率工作，在改變光束形狀時(shí)無(wú)需關(guān)斷激光器或使之空白。Corona的快速調(diào)諧使切割過(guò)程的每個(gè)步驟都能夠利用最佳的光束特性，而不僅僅是在切割不同材料或不同厚度。例如，在熔穿 - 切割或在直切 - 轉(zhuǎn)彎期間，可以使用不同的參數(shù)設(shè)置。
金屬切削性能
一般金屬切削市場(chǎng)，包括激光切割，主要為厚低碳鋼板（MS）。與其它激光系統(tǒng)相比，Corona光纖激光器在邊緣質(zhì)量和厚MS切削的最大厚度方面具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。圖2顯示了分別采用帶100µm饋送光纖的標(biāo)準(zhǔn)4kW光纖激光器、以及4kW Corona光纖激光器切割MS的照片。所有測(cè)試均采用1.5倍放大的固定光學(xué)切割頭，輔助氣體為氧氣。對(duì)每種情況給出了最佳的Corona光束形狀，并在圖中給出了切削速度和測(cè)得的表面粗糙度。
主要觀察結(jié)果：
◆對(duì)于最薄的樣品（0.25英寸），最佳Corona光束直徑為100µm。正如預(yù)期的那樣，在這種Corona設(shè)置下激光器的光斑尺寸和BPP相似，因此兩種光纖激光器的切割速度和邊緣質(zhì)量接近。
◆對(duì)于較厚的樣品，Corona光纖激光器可提供明顯更好的邊緣質(zhì)量，粗糙度降低高達(dá)3倍。這些樣品的最佳Corona光束直徑大于100µm。
◆對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器，可提供一致跌落性能的最大厚度為0.75英寸。Corona光纖激光器可充分?jǐn)U展到1英寸厚度，具備出色的邊緣質(zhì)量。
◆采用Corona光纖激光器切割的工件粗糙度對(duì)厚度的依賴性，比采用標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器切割的工件低得多。采用Corona切割1英寸MS（低碳鋼）所測(cè)得的粗糙度，甚至低于采用標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器切割的0.5英寸的MS（低碳鋼）。高邊緣質(zhì)量降低或消除了對(duì)昂貴而耗時(shí)的后續(xù)處理步驟的需要。
◆與標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器相比，Corona光纖激光器的切割速度相同或稍快（～5%）。
圖2：采用帶100μm 饋送光纖的標(biāo)準(zhǔn)4kW 光纖激光器與4 kW Corona 光纖激光器（a）進(jìn)行氧氣輔助低碳鋼切割的對(duì)比，其中上圖顯示了切割速度，下圖顯示了測(cè)得的邊緣粗糙度值；照片顯示邊緣質(zhì)量，光束圖像包含于每張照片的上方或下方（b）。
圖3顯示了分別采用標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器和Corona光纖激光器切割的1英寸MS（低碳鋼）的特寫。采用標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器切割時(shí)，金屬上的熔渣阻礙了工件從骨架上均勻始終一致地跌落；而使用Corona光纖激光器切割的樣品則表現(xiàn)出一致的跌落性能。這種引人矚目的改進(jìn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化和遠(yuǎn)端控制操作是必不可少的，這是降低制造成本驅(qū)動(dòng)力中的新涌現(xiàn)出的關(guān)鍵趨勢(shì)。除了降低粗糙度外，圖3中所顯示的更佳的邊緣平直度和垂直度對(duì)于諸如焊接之類的應(yīng)用也至關(guān)重要。
圖3：1 英寸低碳鋼氧氣輔助切割對(duì)比，分別采用標(biāo)準(zhǔn)4kW 光纖激光器（a）和4kW Corona 光纖激光器（b） 對(duì)進(jìn)行激光加工，采用Corona光纖激光器的粗糙度降低3倍，邊緣明顯變直，垂直度大大提高。Corona 光纖激光器可提供一致的跌落性能；而傳統(tǒng)的光纖激光器則不能，其原因是在工件底部邊緣的熔渣和凹陷的邊緣形狀。
值得注意的是，Corona光纖激光器能提供邊緣質(zhì)量和厚度范圍方面的益處，并不以速度損失為代價(jià)（圖2），且切削刀具采用標(biāo)準(zhǔn)的固定光學(xué)切削頭。這種不會(huì)犧牲性能的效果任何其它技術(shù)都無(wú)法達(dá)到，并且源自獨(dú)特的、全光纖Corona設(shè)計(jì)。
為了證明使用Corona光纖激光器時(shí)切割過(guò)程的穩(wěn)定性，我們制作了具有精細(xì)特征的挑戰(zhàn)性形狀。圖4顯示了一個(gè)具有極窄腹板（0.110英寸寬）的1英寸MS（低碳鋼）試樣。即使在如此窄的特征上，邊緣的粗糙度和垂直度也是非常好的，未出現(xiàn)相對(duì)側(cè)燒穿的跡象。Corona光纖激光器的可調(diào)光束大小和形狀，可在厚MS（低碳鋼）板上一致地產(chǎn)生這種窄高比特征，以及小孔和精確的角。
圖4：采用4kW Corona 光纖激光器在代表性低碳鋼工件上切割出的窄高比特征；窄腹板部分為0.110 英寸寬、1 英寸厚。
我們還研究了采用4kW Corona光纖激光器以氮?dú)廨o助對(duì)低碳鋼、不銹鋼、鋁和銅進(jìn)行的切割。在大多數(shù)情況下，最小的參數(shù)設(shè)置可提供最好的性能，切割速度和邊緣質(zhì)量類似于標(biāo)準(zhǔn)4kW光纖激光器。這一結(jié)果是預(yù)料之中的，因?yàn)閰?shù)0可在工件上提供最高功率密度。然而，對(duì)于一些較厚材料的氮?dú)馇懈?，較高的指標(biāo)設(shè)置則為某些應(yīng)用提供了更高的邊緣質(zhì)量，由于功率密度較低，速度會(huì)受到損失。在這些情況下，最佳參數(shù)設(shè)置是根據(jù)應(yīng)用而定的，并且，Corona使工具集成商或最終用戶可根據(jù)應(yīng)用定制邊緣特性。
可靠性
所有nLIGHT光纖激光器都包括可靠的、從硬件角度提供的針對(duì)來(lái)自工件的背向反射保護(hù)，從而能不間斷地處理高反射材料。Corona保持了這種高背向反射容限，并且Corona光纖激光器已被用于切割和焊接銅和其它反射材料。
在加速壽命測(cè)試中，我們對(duì)Corona的壽命進(jìn)行了表征。一臺(tái)Corona光纖激光器通過(guò)其參數(shù)設(shè)置不斷循環(huán)，在每個(gè)設(shè)置上有100毫秒停歇，并且周期性地測(cè)量光束直徑以尋找性能的漂移或退化。超過(guò)1340萬(wàn)次指標(biāo)變化，對(duì)應(yīng)所有指標(biāo)設(shè)置的光束直徑保持在4%之內(nèi)，沒(méi)有系統(tǒng)性的變化或漂移。因此，Corona光纖激光器提供了高性能光纖激光器的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)工作特性。
Corona光纖激光器代表著超越標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器及現(xiàn)有可調(diào)諧光束質(zhì)量技術(shù)的一項(xiàng)重大進(jìn)展。其優(yōu)點(diǎn)包括：
◆創(chuàng)新的全光纖設(shè)計(jì)，消除了與自由空間光學(xué)器件相關(guān)的所有性能及可靠性方面的缺點(diǎn)；
◆Corona光纖激光器不再需要外部光纖-光纖耦合器和開關(guān)、機(jī)動(dòng)光學(xué)器件或變焦加工頭；
◆切換非?？欤ǎ?0毫秒），且激光器可以在改變光束形狀的同時(shí)保持全功率工作；
◆無(wú)需維護(hù)或校準(zhǔn)，即使在經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)指數(shù)變化之后，仍能保持光纖激光器的長(zhǎng)壽命；
◆添加Corona不會(huì)增加光纖激光器的功耗、降低效率，或增加尺寸、重量及安裝要求；
◆Corona光纖激光平臺(tái)具有廣泛的通用性，適用于許多其它光束尺寸、形狀、發(fā)散及其它激光功率水平。
憑借Corona的可調(diào)光束質(zhì)量，現(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)通用工具的開發(fā)，以優(yōu)化范圍各種金屬和厚度的切割。生產(chǎn)車間或工廠不再需要被迫承受性能損失、購(gòu)買多種工具，和（或）使用復(fù)雜、昂貴且脆弱的自由空間光學(xué)器件。
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