近年来国内激光技术不断突破,光纤激光器的国产化率不断提升,打破了国外企业在光纤激光器领域的垄断,迫使同类进口产品价格下降50%,进一步推动了光纤激光器应用的推广。在市场占有率方面,高功率光纤激光器在2018年实现了放量增长,国产化占比提升至33%左右。从2019年开始,设备商已经从试用国产超高功率激光器,转向直接投入终端批量加工。
随着国产超高功率光纤激光器技术的日趋成熟和稳定,国产超高功率万瓦级光纤激光器得到了越来越多业内人士的认可。超高功率光纤激光器常用技术方案分为单纤放大输出及多模块合成输出。其中每种放大方式都有自己的优点和缺点:
一、单纤放大输出
同带泵浦技术
基于同带泵浦技术的单纤万瓦级全光纤激光器系统的主要工作原理是三级或多级放大,由主振荡器(种子源),半导体激光泵浦下的光纤放大器,同带泵浦光纤放大器和泵浦滤除器依次相连并由QBH输出光纤激光。整套系统理论上易于实现,但在实际操作中放大级数越多,对光纤所承受的激光密度要求越高,有例如光路系统复杂、非线性效应明显、可扩展性差、功率输出有限等风险。
多芯光纤合成技术
多泵浦合束器发散控制的大功率多芯掺杂双包层光纤激光器解决了普通光纤激光器单根纤芯的输出功率低、光束质量差的问题,但这种方案出现的缺陷是多芯光纤制备困难、热管理困难、可扩展性差功率输出有限。
GT-Wave技术
基于GT-Wave Fiber的光纤激光器技术,可以利用双向激光增加泵浦的转换效率,但是GT-Wave制作难度高、热管理困难、可扩展性差、功率输出有限。
二、多模块合成
主动相干合成
功率放大相干合成技术采用同源种子通过三级分布式放大,再经过相干合成实现万瓦级激光输出,光的相干性非常好,但这种技术对光路系统的稳定性,相位同步性控制提出了很高的要求。
全光纤被动合束
全光纤被动合成技术通过对多束大功率光纤激光器的合束,实现万瓦级激光功率输出,整套方案具有结构紧凑、合束效率高、稳定可靠性等优点。这种合成方式使用多个激光模组进行扩展、模块化设计可扩展性强、整机系统稳定性高,易于工程化,这也是创鑫激光超高功率光纤激光器所使用的技术方案。
三、创鑫激光超高功率激光器
高性能半导体泵浦源
泵浦源是激光器的心脏,创鑫激光通过芯片封装技术的全面突破,研制出了输出光纤芯径为135微米的高性能高亮度半导体泵浦源,最高功率可达500W,功率密度提升2倍。
高功率合束技术
高功率激光合束技术的成功应用,为创鑫激光实现万瓦级超高功率激光提供了技术保证。此项技术经过研发团队三年多数百次的改进,逐步消除光斑分化、偏心、填充不满、局部凹陷等,得到完美的光斑分布形态 ,现可达到单臂输入>5000W,总输出功率>35000W,平均效率>99%,内部温度<45℃。
光斑形态可调技术
针对不同用户及应用场景,创鑫激光可以进行产品的光斑定制,兼顾薄厚板切割性能;还可以通过光斑整形技术,实现光斑能量环形分布,并且可以对环形光斑进行深度优化,以满足特殊的工艺需求。
超高功率激光输出头
与超高功率激光器配套的激光输出头由创鑫激光经过数十种设计不断探索自主研发而来,采用全新双层密封水冷循环,可达到回返光消除比例>80%。为保证品质,在制造中需通过数十项可靠性测试、三十余道精益工艺、数十道质检严格把关。
模块化结构设计
创鑫激光超高功率光纤激光器整机由多个单模块组成,每个单模块又采用光电模块分离设计,如此一来后期维护更方便,可现场快速更换相关模块。目前创鑫激光已经实现国产高功率单模块激光器的量产能力,能够以最少数的模块合束成万瓦光纤激光器,使得万瓦光纤激光器体积更小,内部结构更紧凑,性能更稳定。
目前,创鑫激光超高功率光纤激光器在设计、技术、器件等方面都具备了一定的优势,现已经有了一整套万瓦光纤激光器产品系列,形成了独特的生产体系。未来,创鑫激光在超高功率光纤激光器的发展道路上将不断创新,让国产超高功率光纤激光器更广泛应用于世界先进制造、先进加工领域。