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萬瓦激光技術(shù)路線風(fēng)向標(biāo)—多路合束or單路放大？
閱讀：33 發(fā)布時間：2023-11-62021年，中國是一個從2020年疫情中快速恢復(fù)經(jīng)濟(jì)的主要經(jīng)濟(jì)體，全年全國的規(guī)模以上工業(yè)增加值比上年增長9.6%，其中高技術(shù)制造業(yè)和裝備制造業(yè)增加值分別增長18.2%、12.9%。特別是中國激光產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅猛，激光產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模快速增加，2020年工業(yè)、信息、商業(yè)、醫(yī)學(xué)和科研領(lǐng)域的激光設(shè)備（含進(jìn)口）市場銷售總收入為692億元，較2019年同比增長了5.2個百分點(diǎn)。在光伏、動力電池、汽車等行業(yè)持續(xù)景氣的作用下，2021年中國激光設(shè)備市場整體銷售收入將同比增長15.6%，達(dá)到800億元。
▲2010-2021年中國激光設(shè)備市場情況
與此同時，激光器的技術(shù)也是快速迭代，首先泵浦技術(shù)從溫控區(qū)域較寬的915nm方案轉(zhuǎn)型至吸收效率更高的976nm方案，目前在高功率連續(xù)光纖激光器的泵浦技術(shù)路線上，976nm泵浦技術(shù)已經(jīng)成為主流技術(shù)方案，此外，在萬瓦激光的技術(shù)上，一直存在著“單路光纖放大"和“多路光束合成"之爭，市場不斷發(fā)展，對于技術(shù)、成本、效率等綜合因素成為工業(yè)光纖激光器市場選擇的核心因素，下面我們就兩種技術(shù)路線做些分解。
萬瓦激光器技術(shù)路線方向
1.多路光束合成方案
按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，光纖激光器可以分為：直接振蕩器結(jié)構(gòu)光纖激光器與主振蕩功率放大（MOPA）結(jié)構(gòu)光纖激光器。直接振蕩器結(jié)構(gòu)的光纖激光器結(jié)構(gòu)簡單，只包含一個激光振蕩器，光柵通過選定并輸出所選定特定的波長。
對于直接振蕩器構(gòu)型的光纖激光器來說，它主要有由一對光柵（低反射+高反射），一根增益光纖，若干泵浦構(gòu)成。多束泵浦光通過合束器耦合進(jìn)一根增益光纖，使增益光纖處于粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)光的受激輻射放大，最后通過低反射光柵選取特定波長的激光通過輸出光纖傳輸至輸出頭。
▲ 基直接振蕩器結(jié)構(gòu)光纖激光器
按照泵浦方式不同可分為：正向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。泵浦光注入方向與激光輸出方向一致的稱為正向泵浦；泵浦光注入方向與激光輸出方向一致相反的稱為正反向泵浦；泵浦光同時從正向和反向注入的稱為雙向泵浦。目前市面上，GW和IPG采用的都是上圖所示這種雙向泵浦的方案。
目前，一臺主流的直接振蕩器結(jié)構(gòu)的光纖激光器或者模塊，其功率大致在3KW，更高功率的激光器是由一個個模塊合束而來，即將多個模塊輸出的光通過合束器耦合進(jìn)一根光纖中然后輸出。如，12KW就是由4個3KW模塊合束得到。
▲ 多路光束合成方案高功率光纖激光器
2.單路光纖放大方案
MOPA結(jié)構(gòu)的光纖激光器包含一個激光振蕩器和一級或多級光纖放大 器，將振蕩器中光柵選定的波長作為種子光，種子光在多級放大器的作用下被放大，使輸出功率得到一定程度的提升。
對于這樣的高功率激光器，其功率提升不是靠增加模塊數(shù)量，主要是依靠多級放大器來實(shí)現(xiàn)的。如，12KW就是通過3級放大得到。
▲ 基于MOPA構(gòu)型的單路光纖放大方案高功率光纖激光器
多路合束萬瓦激光器優(yōu)勢
1.整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單易維護(hù)
單路放大型的高功率激光器由于只有一個模塊，其內(nèi)部光、電、水的排布要更加復(fù)雜。它控制系統(tǒng)相對更復(fù)雜，振蕩器與放大器在開機(jī)和關(guān)機(jī)時需要遵循一定的時序關(guān)系：開激光時，要先開啟振蕩器，然后從首級放大器開始逐級開啟放大器；關(guān)激光時，從末級放大器開始，逐級往前關(guān)閉放大器。一旦時序發(fā)生錯亂，極有可能導(dǎo)致激光器的嚴(yán)重?fù)p壞。
GW激光所采用的多光束合成方案，激光器控制比較簡單，不存在時序問題，程序控制出現(xiàn)問題，也不會對機(jī)器造成損傷。一旦激光器發(fā)生故障，只需拆卸損壞的模塊、然后替換上新的模塊即可完成維修。對于客戶來說，更加節(jié)省維修時間。
2.抗回返光能力強(qiáng)
區(qū)別于振蕩器，放大器的增益光纖兩端沒有光柵，加工高反材料時的回返光或者后級放大器的反向光易回到前級放大器，干擾前級放大器的工作，甚至造成破壞，因此需要額外增加光隔離措施。
GW激光的多光束合成方案，每個模塊只有一個振蕩器，不會存在反向光；同時，GW激光的獨(dú)門秘籍—ABR抗高反技術(shù)：單個模塊設(shè)有五級回返光探測與剝除裝置；多模激光器在單個模塊的五級抗高反基礎(chǔ)上，每個模塊又單獨(dú)設(shè)有一級抗回返光裝置，可以有效保障內(nèi)部器件不被損傷，保證激光器的穩(wěn)定運(yùn)行，輕松切割金、銀、銅、鋁等高反材料，勝任各種焊接應(yīng)用。
3.雙向泵浦提高系統(tǒng)穩(wěn)定性
?抑制激光噪聲
對于正向和反向泵浦來說，泵浦光從一端注入摻鐿光纖，在摻鐿光纖的輸入端泵浦光較強(qiáng)，故粒子反轉(zhuǎn)激勵也強(qiáng)，但由于吸收的因素，泵浦光將沿光纖長度而衰減，使得在一定的光纖長度上達(dá)到增益飽和而使噪聲增加。雙向泵浦可以使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使增益在光纖中也均勻分布，使得噪聲減小。
?緩解單端壓力
過大的泵浦光能量耦合進(jìn)增益光纖，增益光纖起始段對泵浦光產(chǎn)生了大量的吸收，因此在起始段光纖溫度，光纖熔點(diǎn)承受的壓力。雙端向泵浦可以使增益光纖兩邊兩個熔點(diǎn)分擔(dān)壓力，使系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定。
?加大模式不穩(wěn)定的閾值
模式不穩(wěn)定與增益光纖的熱負(fù)荷有關(guān)。采用雙端泵浦的方式后，可以使增益光纖的溫度分布更加均勻，減弱熱效應(yīng)，提高了模式不穩(wěn)定的閾值。
4.976nm泵浦方案優(yōu)勢明顯
?更高的轉(zhuǎn)化率
摻鐿光纖在915nm和976nm波段有兩個較強(qiáng)的吸收峰，因此摻鐿光纖激光器通常選用的泵浦光波段為915nm或975nm。其中，975nm的吸收峰較高，大約是915nm的3倍，故產(chǎn)生相同功率的1070nm激光，所消耗的976nm泵浦光僅為915nm光的三分之一。而泵浦光是由電能轉(zhuǎn)化而來，這就意味著采用976nm泵浦源，所消耗的電能更小，更加高效節(jié)能。
?更低的非線性效應(yīng)
在連續(xù)單頻光纖激光器中，存在一些非線性效應(yīng)，影響較大的有受激布里淵散射、受激拉曼散射以及光克爾效應(yīng)等，這些非線性效應(yīng)會使光束質(zhì)量劣化。得益于976nm波長較高的吸收峰，在相同吸收效率的前提下，增益光纖可以做得更短，而減小光纖長度有助于避免抑制非線性效應(yīng)。
結(jié)語
GW激光（GW）以976nm泵浦技術(shù)為基礎(chǔ)、多路光束合成方案為主線，致力于提高萬瓦激光器功率水平與光束質(zhì)量；同時也注重提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品的故障率與處理故障的復(fù)雜度。未來，將不斷為客戶提供優(yōu)質(zhì)的光纖激光器、以及強(qiáng)有力的技術(shù)支持。