碟片激光器（Disk Laser）設(shè)計(jì)理念的提出，有效地解決了固體激光器的熱效應(yīng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了固體激光器高平均功率、高峰值功率、高效率、高光束質(zhì)量的完美結(jié)合。碟片激光器在汽車、船舶、鐵路、航空、能源等領(lǐng)域成為不可替代的新型加工用激光光源，目前全球僅有德國(guó)Trumpf公司具有生產(chǎn)高功率碟片激光器的技術(shù)，最高功率達(dá)到16千瓦，光束質(zhì)量達(dá)到8毫米毫弧度，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的激光遠(yuǎn)程焊接和大幅面激光高速切割，為固體激光在高功率激光加工領(lǐng)域開(kāi)辟了廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。

　　相比于光纖激光器，碟片固體激光器還具有以下優(yōu)勢(shì)：

　?。?）超薄的晶體封裝結(jié)構(gòu)（100-300μm）和高效的熱管理技術(shù)使得碟片固體激光器的熱效應(yīng)極大的降低，保證高光束質(zhì)量激光的輸出。在維持泵浦功率密度一定的條件下，通過(guò)擴(kuò)大泵浦增益區(qū)的面積或采用簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)方式，實(shí)現(xiàn)更高功率連續(xù)激光的輸出（目前單碟實(shí)現(xiàn)5千瓦的激光器，4碟串聯(lián)實(shí)現(xiàn)16千瓦的激光輸出）。

　　而光纖激光器由于光纖芯徑的限制，如功率太高會(huì)出現(xiàn)非線性效應(yīng)，所以，現(xiàn)有的4千瓦光纖激光器都是有4個(gè)1千瓦的光纖激光器非相干合成而獲得的。

　?。?）碟片激光器可以獲得高峰值功率脈沖激光輸出，有利于獲得可見(jiàn)光和紫外光的激光束。

　?。?）碟片激光器分離器件的設(shè)計(jì)方案和增益介質(zhì)的增益飽和特性，無(wú)背向反射光的產(chǎn)生，不會(huì)對(duì)光學(xué)器件或膜層造成損傷（光纖激光器不可回避的技術(shù)問(wèn)題），利于更高功率激光的輸出。

　?。?）在工業(yè)應(yīng)用中，碟片激光器為分立元件構(gòu)成，如有損壞，可現(xiàn)場(chǎng)更換相應(yīng)元件，成本較低，維修時(shí)間短；而光纖激光器所有元件都由光纖焊接在一起，如出現(xiàn)損壞，則需返廠維修，更換所有光纖元件，成本較高，維修周期較長(zhǎng)。

　　因此，高端工業(yè)激光器知名企業(yè)德國(guó)Trumpf將高功率碟片固體激光器作為公司主推的核心產(chǎn)品，其推出了一系列碟片激光器產(chǎn)品及相關(guān)成套工業(yè)應(yīng)用設(shè)備。其激光器功率范圍涵蓋1千瓦至16千瓦，成套加工裝備包括碟片激光切割裝備、碟片激光三維焊接裝備、碟片激光遠(yuǎn)程焊接裝備、碟片激光三維加工中心等。其產(chǎn)品應(yīng)用于高速切割、焊接、打孔等工業(yè)加工領(lǐng)域。因其具有加工速度快、精度高、使用方便、可靠性強(qiáng)，并能完成多種其他激光器難以勝任的高難度加工任務(wù)，尤其是得益于碟片激光器特殊的光學(xué)結(jié)構(gòu)、合適的波長(zhǎng)，其在有色金屬等高反射材料加工方面優(yōu)勢(shì)明顯。

　　國(guó)內(nèi)在“十一五”期間，華中科技大學(xué)與俄羅斯合作進(jìn)行了“高功率碟片固體激光器的研究”項(xiàng)目，通過(guò)近五年的攻關(guān)，建立了高功率碟片激光器研發(fā)平臺(tái)，驗(yàn)證了雙拋物面共軛成像多次泵浦碟片晶體的新方法，實(shí)現(xiàn)了單碟1千瓦，五碟4千瓦的碟片激光器原理樣機(jī)（圖1為4千瓦碟片固體激光原理樣機(jī)出光現(xiàn)場(chǎng)）。使中國(guó)成為第二個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)高功率碟片激光器的國(guó)家，但該原理樣機(jī)和工業(yè)激光器產(chǎn)品間還存在較大差距。

圖1  4千瓦碟片激光器原理樣機(jī)出光現(xiàn)場(chǎng)

       梅曼科技承擔(dān)的2千瓦碟片激光器及其成套裝備產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目旨在針對(duì)2千瓦碟片固體激光器的碟片晶體高效冷卻技術(shù)、泵浦勻化技術(shù)、綜合熱管理技術(shù)、串接諧振腔技術(shù)、光纖耦合技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行深入研究，提供高功率碟片激光器工程化成套解決方案，實(shí)現(xiàn)8毫米毫弧度、2千瓦激光的穩(wěn)定輸出，實(shí)現(xiàn)2千瓦碟片固體激光器的規(guī)模化生產(chǎn)。

　　在開(kāi)發(fā)出2千瓦光纖耦合輸出碟片固體激光器基礎(chǔ)上，該項(xiàng)目將進(jìn)一步開(kāi)發(fā)2千瓦光纖耦合碟片激光切割設(shè)備、2千瓦光纖耦合碟片激光焊接設(shè)備。切割速度：15米/分（1毫米厚鋼板），焊接速度：4.5米/分（1毫米厚鋼板）。

　　在項(xiàng)目研發(fā)成功后，梅曼科技有限公司準(zhǔn)備學(xué)習(xí)德國(guó)Trumpf激光的市場(chǎng)運(yùn)行策略，不直接銷售高功率碟片固體激光器，而是銷售基于高功率碟片固體激光器的切割和焊接系統(tǒng)，靠擁有核心技術(shù)，獲取相應(yīng)的激光切割和焊接的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

　　通過(guò)“2千瓦碟片激光器及其成套裝備的產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目的實(shí)施，將在華中科技大學(xué)激光加工國(guó)家工程研究中心建成系列碟片激光器原創(chuàng)性研發(fā)基地，該基地將具備3千瓦至8千瓦碟片激光器、數(shù)百瓦調(diào)Q脈沖碟片激光器、綠光碟片激光器和皮秒碟片激光器的研發(fā)能力；將在梅曼科技有限公司建成系列碟片激光器及其切割、焊接系統(tǒng)的工程化創(chuàng)新基地。該基地將承接華中科技大學(xué)激光加工國(guó)家工程研究中心系列碟片激光器原理樣機(jī)的工程化研發(fā)任務(wù)，具備相應(yīng)的工程化設(shè)計(jì)、加工能力；將在武漢梅曼科技有限公司建成2千瓦光纖耦合碟片激光器、2千瓦光纖耦合碟片激光切割機(jī)、2千瓦光纖耦合碟片激光焊接機(jī)中試生產(chǎn)基地。

　　二、項(xiàng)目目標(biāo)及主要研發(fā)內(nèi)容

　　1、主要目標(biāo)（項(xiàng)目目標(biāo)的涵蓋范圍要與項(xiàng)目名稱相對(duì)應(yīng)；目標(biāo)應(yīng)該明確具體，在2～3年內(nèi)能夠完成）。

　　在項(xiàng)目執(zhí)行期內(nèi)完成2千瓦碟片固體激光器的工程化和中試生產(chǎn)，并基于該固體激光器開(kāi)發(fā)光纖耦合碟片激光切割裝備和光纖耦合碟片激光焊接裝備（包括相關(guān)切割與焊接工藝研究）。最終實(shí)現(xiàn)2千瓦碟片固體激光器、2千瓦光纖耦合碟片激光切割設(shè)備、2千瓦光纖耦合碟片激光焊接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的切割與焊接。

　　1.1、具體技術(shù)指標(biāo)：

　?。╝）碟片激光輸出功率：2000W

　　（b）激光功率穩(wěn)定度：2%

　?。╟）激光光束質(zhì)量：BPP≤8毫米·毫弧度

　?。╠）激光連續(xù)工作時(shí)間：8小時(shí)

　?。╠）切割速度：15米/分（1毫米厚鋼板）

　?。╡）焊接速度：4.5米/分（1毫米厚鋼板）　1.2、預(yù)期成果

　?。╝）鑒定成果2-3項(xiàng)。

　?。╞）發(fā)明專利2-3項(xiàng)

　?。╟）填補(bǔ)國(guó)內(nèi)2千瓦光纖耦合碟片激光器產(chǎn)品空白。

　?。╠）填補(bǔ)國(guó)內(nèi)2千瓦光纖耦合碟片激光切割機(jī)產(chǎn)品空白。

　?。╡）填補(bǔ)國(guó)內(nèi)2千瓦光纖耦合碟片激光焊接機(jī)產(chǎn)品空白。

　　2、研發(fā)內(nèi)容（包括項(xiàng)目主要研發(fā)內(nèi)容，項(xiàng)目技術(shù)關(guān)鍵和項(xiàng)目主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)）。

　　2.1、研發(fā)內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

　　為有效回避現(xiàn)有碟片固體激光器專利的種種壁壘，開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的2千瓦光纖耦合碟片激光器以及相關(guān)成套設(shè)備，從設(shè)計(jì)源頭出發(fā)，采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“共軛雙拋物面多程泵浦系統(tǒng)”的新型碟片激光器技術(shù)，開(kāi)展全面系統(tǒng)研究，具體研究?jī)?nèi)容如下：

　?。╝）高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性碟片激光器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　從穩(wěn)定性和可靠性的角度出發(fā)，對(duì)2千瓦碟片固體激光器的半導(dǎo)體泵浦單元、泵浦光傳輸與多程傳輸單元、冷卻單元、光學(xué)諧振腔單元以及系統(tǒng)基本架構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性與形變（熱形變、機(jī)械形變）分析，設(shè)計(jì)出高穩(wěn)定性、高可靠性的機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)結(jié)構(gòu)。

　?。╞）高功率激光器光腔密封及空氣冷卻循環(huán)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2千瓦碟片固體激光器激光振蕩光路的密封問(wèn)題以及熱輻射引起光路中熱空氣的擾動(dòng)是影響激光輸出穩(wěn)定性的主要因素之一，采用流體熱力學(xué)的大型分析軟件模擬熱空氣對(duì)激光穩(wěn)定的影響，設(shè)計(jì)優(yōu)化的密封和空氣循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光輸出。

　?。╟）碟片激光器激光電源及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　研發(fā)滿足2千瓦碟片固體激光器工業(yè)化應(yīng)用的大電流工業(yè)電源，在提供必要能量注入的同時(shí)，對(duì)高功率半導(dǎo)體泵浦模塊、碟片激光器冷卻系統(tǒng)的流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋，確保碟片激光器內(nèi)核心部件的安全可靠運(yùn)行。（d）碟片激光器光纖耦合技術(shù)；

　　將輸出的激光經(jīng)光束變換后耦合到工業(yè)光纖中，實(shí)現(xiàn)碟片激光器的光纖輸出，便于柔性加工和智能化運(yùn)行，重點(diǎn)解決光纖耦合過(guò)程中耦合效率和光纖端面的冷卻技術(shù)。

　　（e）碟片激光器智能化控制系統(tǒng)

　　對(duì)碟片固體激光器的輸出功率、電流、溫度、濕度、冷卻水質(zhì)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，故障自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，相應(yīng)輸入輸出接口、用戶控制界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)碟片固體激光器系統(tǒng)的智能化運(yùn)行。

　?。╢）2千瓦光纖耦合碟片激光器切割系統(tǒng)及切割工藝

　　針對(duì)2千瓦光纖耦合碟片激光器開(kāi)發(fā)相應(yīng)的激光切割系統(tǒng)（機(jī)器人的三維切割）并進(jìn)行切割工藝的研究建立專業(yè)的切割數(shù)據(jù)庫(kù)。

　?。╣）2千瓦光纖耦合碟片激光器焊接系統(tǒng)及焊劑工藝

　　針對(duì)2千瓦光纖耦合碟片激光器開(kāi)發(fā)相應(yīng)的激光焊接系統(tǒng)（機(jī)器人的三維切割）并進(jìn)行焊接工藝的研究建立專業(yè)的焊接數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　2.2、項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

　?。╝）系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)高穩(wěn)定性、高可靠性的機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)結(jié)構(gòu)。

　　采用流體力學(xué)+熱力學(xué)的耦合分析模型對(duì)高功率碟片固體激光器的各個(gè)核心部件進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，尤其對(duì)多陣列沖擊冷卻單元所引起的微變形問(wèn)題進(jìn)行在設(shè)計(jì)以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使本項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之一。

　?。╞）深入分析熱空氣的擾動(dòng)對(duì)碟片固體激光器輸出穩(wěn)定性的影響

　　由于碟片固體激光器的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其核心光學(xué)元件的熱輻射引起的周圍熱空氣的流動(dòng)對(duì)輸出激光的穩(wěn)定性影響較大，采用動(dòng)態(tài)空氣流動(dòng)技術(shù)以減少上述因素的影響，提升激光輸出的穩(wěn)定性。

　?。╟）碟片激光器激光電源及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　采用恒壓源的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)多級(jí)診斷對(duì)所驅(qū)動(dòng)LD高功率模塊的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并同時(shí)分析模塊流量、離子度等核心指標(biāo)保證LD激光模塊的安全可靠運(yùn)行。三、項(xiàng)目綜合分析

　　2千瓦光纖耦合碟片激光器、2千瓦光纖耦合碟片激光切割機(jī)、2千瓦光纖耦合碟片激光焊接機(jī)的研發(fā)成功，將使梅曼科技有限公司成為全球第二家、中國(guó)唯一一家擁有高功率碟片激光器及其應(yīng)用系統(tǒng)核心技術(shù)的企業(yè)，將在近5年內(nèi)獨(dú)享高功率碟片激光器及其應(yīng)用系統(tǒng)的市場(chǎng)。

　　從世界范圍內(nèi)激光加工行業(yè)的格局分析，截至2011年底，大功率激光切割成套設(shè)備在歐洲安裝有13000臺(tái)，北美安裝有12000臺(tái)，日本安裝有10000臺(tái)，我國(guó)臺(tái)灣安裝已超過(guò)500臺(tái)。中國(guó)大陸年進(jìn)口2千瓦光纖激光器自行裝配的固體激光切割機(jī)，年銷售約500臺(tái)。以高切割速度、高精度和大切割幅面為特征的高端數(shù)控激光切割成套設(shè)備的需求量日益增加，具有廣闊的市場(chǎng)空間和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。武漢梅曼科技有限公司的高功率碟片固體激光切割機(jī)，將以全球最優(yōu)的性能價(jià)格比，站住激光切割機(jī)高端市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)地位。

　　據(jù)我國(guó)鋼鐵行業(yè)協(xié)會(huì)的不完全統(tǒng)計(jì)，在未來(lái)10年中，我國(guó)鋼鐵行業(yè)需要更新或者新建的激光焊接機(jī)組大約為70～100臺(tái)。以平均每臺(tái)進(jìn)口價(jià)格5500萬(wàn)元人民幣計(jì)算，共需要花費(fèi)人民幣40～55億元人民幣。如果采用自主研制的國(guó)產(chǎn)激光焊接成套設(shè)備，即使在目前條件下高功率萬(wàn)瓦激光器采用進(jìn)口設(shè)備，每臺(tái)售價(jià)可以控制在進(jìn)口價(jià)的40%～60%，可以直接節(jié)約人民幣16～30億元。如果考慮到本課題完成后，繼續(xù)開(kāi)發(fā)出國(guó)產(chǎn)8千瓦碟片激光設(shè)備逐漸取代進(jìn)口激光設(shè)備，可以節(jié)約的經(jīng)費(fèi)將更加巨大。更為重要的是，這可以作為我國(guó)激光加工高端裝備在冶金行業(yè)應(yīng)用的示范點(diǎn)，帶動(dòng)激光加工設(shè)備向其它應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。優(yōu)良的性能/價(jià)格比還可以有利于激光焊接成套設(shè)備向海外市場(chǎng)進(jìn)軍，成為我國(guó)高技術(shù)出口的重要案例。

　　本設(shè)備的另一個(gè)重要意義就是帶動(dòng)我國(guó)高功率固體激光器件的發(fā)展。當(dāng)前，我國(guó)高功率固體激光器的功率水平一直在1千瓦左右徘徊。通過(guò)本項(xiàng)目的研發(fā)，可以促進(jìn)我國(guó)萬(wàn)瓦級(jí)高功率固體激光器走向工程化，研究成果還可以向船舶制造、飛機(jī)制造、機(jī)車車廂制造等行業(yè)轉(zhuǎn)化，具有明顯的帶動(dòng)作用。課題的研究成果還可用于薄板的重卷機(jī)組、鍍鋅板和鍍錫板的焊接機(jī)組等，全面阻擊國(guó)外同類焊接設(shè)備向我國(guó)冶金行業(yè)的滲透，產(chǎn)生更大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。