976nm 泵浦源——成本与技术的双重优势

来源:长光华芯光电    关键词:激光, , 激光技术,    发布时间:2019-04-14

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近年来,工业光纤激光器市场发展迅猛,势头强劲。 国内中低功率光纤激光器市场竞争激烈,国产化替代日渐深入,已全面进入价格竞争阶段,控制成本成为光纤激光器厂商参与市场竞争的重要手段。高功率光纤 激光器市场需求迫切,市场缺口庞大,但其非线性效应抑制 等难度较高、光纤激光器厂商正寻求新的解决方案。

随着工业光纤激光器对泵浦源的温度控制技术的成熟, 976nm 波段泵浦源在工业光纤激光器上的应用逐渐被市场认可接受。光纤激光器增益光纤对 976nm 波段泵源具有较高的吸收效率,能够有效降低工业光纤激光器的制造成本与泵浦技术难度,不少技术领先的光纤激光器厂商纷纷将技术方案聚焦到 976nm 波段泵浦方案,以期尽快取得更大的市场优势。

相对 915nm 泵浦,976nm 泵浦的应用优势

工业光纤激光器通过增益光纤(掺镱光纤)实现从泵浦光到信号光的能量转换。掺镱光纤在 915nm 和 976nm 波段存在两个明显的特征吸收峰,915nm波段吸收系数相对较低,吸收谱较宽;976nm 波段吸收系数是 915nm 波段的 2-3 倍(如图 1),但吸收谱相对较窄。

图 1 掺镱光纤吸收与激射光谱

915nm/976nm 泵浦激光器提供的泵浦光能量,分别与掺镱光纤的吸收峰特征对应。以往较多的光纤激光器厂商使用 915nm 波段泵浦方案,原因在于掺镱光纤在 915nm 波段较宽的吸收峰,能够冗余较宽的光纤激光器温度控制范围带来的泵浦波长漂移,但 915nm 波段泵源较低的吸收系数带来了成本与技术应用上的双重障碍,限制了光纤激光器高功率、 低成本的发展趋势。

976nm 波段泵浦的光纤激光器,增益光纤对泵浦光的吸收系数更高。据国内多家光纤激光器厂商实用反馈,976nm 波段泵浦的光光效率可达到 85%,而 915nm 波段泵浦的的光光效率为 75%(如图 2)。在相同的泵浦功率注入下,与 915nm 波段泵浦相比,采用 976nm 波段泵浦方案,光纤激光器的输出功率将高出 13%,且 976nm 波段泵浦需求的增益光纤长度更短,直接降低材料成本的同时,也有效降低了非线性效应,光光效率损失、热管理难度。但 976nm 泵浦对光纤激光器温度控制的要求更高。

图 2 915/976nm 泵浦掺镱光纤斜效率对比

976nm 泵源使用技术的日趋成熟

以往制约 976nm 泵浦源工业应用的 原因主要还是增益光纤在 976nm 波段的吸收谱较窄;在工作环境温度变化时, 泵浦源中心波长的漂移造成增益有源光纤吸收率大幅变化,容易导致光纤激光器整机输出功率不稳定。在热管理技术不够成熟的过去几年,开发者多采用吸收峰较宽、但吸收效率更低的 915nm 波段,来降低环境温度的影响。采用 976nm 泵源方案对激光器的热管理设计有非常严格的要求,因此,在过去几年 只有国外少数和国内极少数光纤激光器 厂家在量产工业激光器中使用 976nm 泵源方案。

不同的是,近年来国内光纤激光器厂家在热管理技术方面逐渐成熟,工业水冷机进行的强制水循环冷却方式已经完全满足了光纤激光器对泵浦源温度控制的要求。目前国内已有多家光纤激光器制造商使用长光华芯的 976nm 泵源, 实现了中低光纤激光器的批量生产供 货,高功率激光器的小批量生产供货, 并在终端客户处的表现良好。所以,目 前来看,使用 976nm 泵源方案已不存在技术上的应用障碍。

976nm 泵源在中低功率光纤激光器上的成本优势体现

随着国内光纤激光器企业的技术发 展成熟,国产激光器市场占有率稳步提升,尤其是中低功率光纤激光器,已基本实现国产化替代。随着中低功率光纤激光器的产品同质化日益严重,市场竞争日渐激烈。进入 19 年以来,已经全面进入价格竞争阶段,光纤激光器的成本面临巨大的市场挑战,如何降低成本, 不少光纤激光器厂商将目标投向 976nm 泵源。976nm 泵源较高的光光转换效率可以有效降低泵源的成本代价。以 1500W 光纤激光器为例,976nm 泵源相比 915nm 泵源高出约 10% 电光效率, 将直接节约 235W 的泵浦源功率,大幅度节约光纤激光器制造成本的同时,也为光纤激光器的终端用户节省了约 11% 的电力消耗费用,有效帮助中下游用户建立起市场竞争优势。

图 3 长光华芯 976nm 泵源

源技术与成本的双重优势

目前国内高功率光纤激光器需求依然依赖进口,市场供不应求,面对巨大 的市场缺口,国内不少技术领先光纤激光器厂商纷纷将目光投向高功率光纤激光器的研发生产,并有不少有实力的厂家在技术上正不断追赶甚至超越国际一流光纤激光器厂商。

借此,高功率光纤激光器的泵浦方案被重新评估。以往使用 915nm 波段的半导体激光器作为泵浦源,受益于 915nm 波段较宽的吸收谱,激光器整机受温度影响较小,但在 915nm 波段增益有源光纤的吸收效率低,为达 到整机光纤激光器更高功率的输出, 在技术上要求使用更高的 915nm 泵浦功率和更长的有源光纤,这将导致开发者不得不面对增益光纤非线性效应、 光光效率损失、热管理难度增加、单位瓦数成本上升等诸多困难。当输出功率超过一定水平时,915nm 泵浦方案将变得极为复杂而最终失效。

使用 976nm 波段泵浦方案将很好的解决 915nm 波段泵浦方案的上述困难。增益光纤对 976nm 波段吸收 效率是 915nm 波段的 2-3 倍,更高的吸收效率,意味着需要的增益光纤更短,随之带来的非线性效应降低等一系列的技术优势得以体现,同样也节约了部分增益光纤的材料成本,加之 光光效率带来的成本优势(976nm 波段泵源比 915nm 泵源高约 10% 的光光效率),976nm 泵浦方案在高功率光纤激光器上的成本效益进一步得以体现。

当热管理不再成为制约 976nm 波段泵浦方案的障碍,976nm 泵浦技术 的技术与成本双重优势得以体现。

光纤激光器的理想泵浦源

自 2012 年成立以来,长光华芯一 直致力于半导体激光器的研发、生产, 长光华芯 976nm 光纤耦合模块,采用自主研发并实现量产的单管芯片,通过精密的光学封装和严苛的工艺过程控制实现高亮度的输出,满足不同生产需求。 产品包括:

(1)135μm,976nm 光纤耦合模块,最高输出功率可达 180W;

(2)200μm,976nm 光纤耦合模块,最高输出功率可达 280W;

(3)带 VBG 波长锁定的 976nm 光纤耦合模块,105μm 最高输出功率可达 130W;主推的 976nm 三款光纤耦合模块产品实际 NA 0.16(95% 能 量), 光谱宽度< 5nm,中心波长可以控制在 ±2nm,其中 VBG 光纤耦合模块产品可实现波长锁定在 ±0.5nm 范围内。

经验证,采用长光华芯 976nm 泵浦源的光纤激光器,光转换效率可达 85%,整机系统受环境温度影响微弱, ±5℃范波动围内光纤激光器性能稳定, 有效节省有源光纤,使光纤激光器单瓦成本更低是工业高功率光纤激光器和飞秒光纤激光器理想泵浦源。