976nm高亮度光纤激光器军工技术产业化之路 ——可靠性,从军工到民用

来源:激光制造商情    关键词:高亮度光纤激光器, 军工技术, 光惠激光,    发布时间:2019-07-17

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摘要:激光技术自80年代后进入高速发展中,以大模场掺镱光纤、高亮度976nm泵浦二极体、高功率单模光纤激光器等方向为代表的光纤激光器技术获得各国科研军工机构的大规模研发投入。976nm泵浦以其高光电转换效率、高吸收效率、及高非线性抑制阈值一直是高端光纤激光器的必选技术路线,以IPG和Rofin/Coherent为代表的国际巨头拥有976nm泵浦技术的激光器厂商并以此不断引领光纤激光器的技术进步。GW激光引入美国成熟的976nm泵浦技术方案,作为国内976nm军工技术产业化第一人,通过和国内合作伙伴的多年努力,目前已经初步完成大规模工业化应用的产业链布局。


1、激光技术自80年代后进入高速发展中,以大模场掺镱光纤、高亮度976nm泵浦二极体、高功率单模光纤激光器等方向为代表的光纤激光器技术获得各国科研军工机构的大规模研发投入


在美国休斯实验室的科学家梅曼在1960年宣布第一台激光器诞生的两年后,美国宝利来公司的E. Snitzer就报道了第一台掺镱光纤激光器。但是直到解决以下两个关键技术点,光纤激光器才真正从实验室走向实用:1)1985年英国南安普顿大学光学研究中心通过MCVD研制出单模掺镱光纤;2)1988年E. Snitzer光纤激光器提出双包层光纤。九十年代初矩形内包层的出现,使激光转换效率提高到50%,输出功率达到5W。进入2000年以后,随着高功率半导体激光器泵浦技术和双包层大模场光纤制作工艺的发展,光纤激光器的输出功率逐步提高,采用单根光纤的技术路线实现了超过10,000W的激光输出。


激光技术以其良好的远距传输特性和高能量密度,早在80年代就以化学激光器为代表进入军工领域。但是化学激光器的低输出稳定性和低光电转换效率带来的高能耗、庞大的体积和重量,使得激光武器长期只能够以大型波音飞机为载体,而且实用化进展缓慢。光纤激光器在20世纪90年代开始的高速发展,以及光纤激光器天然的高电光转换效率和单模态输出能力,赢得了军工领域的重点关注,带来了在以大模场掺镱光纤、高亮度976nm泵浦二极体、高功率单模光纤激光器等方向为代表的光纤激光器技术上的大规模研发投入。军工方面的大规模投入也推动光纤激光器技术升级的高速发展,如下图所示,单模光纤激光器的输出功率从1994年公开报道的不到1W到2013年的超过10kW输出功率。

不论是单模10kW还是100kW级合束多模激光器的激光系统集成技术,国内的光纤激光器军工技术的发展基本紧跟国际水平,但是在包括大模场掺镱光纤和高亮度976nm泵浦二极体等关键零部件上相对落后,这也导致当德国Rofin和美国IPG在2012年陆续推出基于976nm泵浦技术的1kW单模组高亮度光纤激光器和4kW多模组光纤激光器的时候,国产工业光纤激光器只有300-500W的连续光纤激光器产品。


02976nm泵浦由于吸收效率高,可以规避高功率单模组激光器面临的技术难题而广受激光器关注,IPG和Rofin/Coherent为代表的国际巨头拥有976nm泵浦技术的激光器厂商并以此不断引领光纤激光器的技术进步


公开报道表明,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%。在相同的泵浦功率下,相比915nm波段泵浦,采用976nm泵浦方案光纤激光器的输出功率将高出13%。更高的光光转换效率意味着更高的电光转换效率,同样激光输出功率情况下更小的能耗、更低的水冷要求,极大的降低高能激光系统对电负载和体积、重量的要求,使得单兵激光武器、车载激光武器等移动平台成为可能。




如上图所示,掺镱光纤在976nm的吸收率是915nm泵浦波长的3倍以上,高吸收率意味着更短的掺镱光纤、更高的非线性效应的阈值,最大限度规避高功率单模组激光器面临的受激拉曼散射和受激布里渊散射带来的输出功率饱和甚至输出功率不稳定的现象。


这些独特的优势使得高亮度976nm和泵浦二极体一直是军工应用的必选泵浦源。相比于国内的915nm泵浦路线的25-30%光电转化效率,976nm泵浦技术路线光电转化效率超过42%,在6kW以上的超高功率激光器节能省电特点及带来的经济性被充分认识并且是各大激光设备商一直追逐的方向。此外,976nm泵浦路线可实现的光束质量更高,在切割领域,其切面锥度更小、切割断面纹路更细;在焊接领域,976nm泵浦的单模高斯分布能量密度高,这在锂电池等精密焊接领域拥有着独特的技术优势。IPG在2005年开始,系统掌握了976nm泵浦的激光器技术,为国际工业上首先成熟拥有976nm泵浦技术的激光器厂商。IPG使用独特的侧面泵浦技术去消除了976nm波长的温度敏感性,产品可以长期稳定使用,累计出货10万台左右,2018年收入超过14亿美元。



03GW激光引入美国成熟的976nm泵浦技术方案,作为国内976nm军工技术产业化第一人,通过和国内合作伙伴的多年努力,目前已经初步完成大规模工业化应用的产业链布局


但是高亮度976nm泵浦二极体产业链的不完善极大的影响了国产激光器厂商推出基于976nm军工技术的高功率光纤激光器的产品进度。GW激光自从2015年在上海建立生产制造基地就致力于976nm军工技术光纤激光器的产业化。976nm军工技术产业化首先要解决的就是可靠性问题:从以项目研发验证为目的、激光工作时间可能只有几分钟到几小时高光束质量而广受科研军工机构关注和使用,而工业应用需要24小时7天的满负荷运转,这种长期可靠性要求对整机设计、零部件选型、生产制造的一致性都提出了全新的挑战。针对工业应用严苛的可靠性要求,作为国内976nm军工技术产业化的第一人,GW在2016年推出的1.5kW单模组激光器、2017年推出的3kW单模组激光器采用了以下策略:

1. 采用德国Dilas的IS58二极体系列中成熟的976nm300W泵浦源。有别于军工项目上使用的600W、甚至800W976nm泵浦二极体,300W的IS58二极体已经在工业领域应用多年,有充分的工业环境使用的可靠性数据;


2. 采用Nufern的经过工业应用充分验证的VIII掺镱光纤,保证工业应用的长期可靠性;



3. 采用自主开发的反向泵浦合束器,运用双端泵浦技术,大大降低掺镱光纤增益腔的热负载和非线性效应;


4. 全部铜电极连接,降低IS58的高工作电流带来的热负载;


5. 密封的激光器设计,防尘、防水、防结露;


即便如此,GW源自军用激光的976nm泵浦技术方案亦经历了从军用到工业的艰难历程,其中进口二级体微通道水路堵塞是976nm技术方案最大问题,其原因主要是976nm波段的吸收峰较窄: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性能指标波动。微通道水路对水质要求高,同时对水冷机的泵压要求也比915nm泵浦技术方案高,使得已经习惯传统915nm泵浦方案的激光器的客户不能适应,从而客户对GW的976nm泵浦技术认同度并不高。部分客户由于采用了普通的自来水及普通水冷机,在使用一段时间后频繁出现高温报警问题,从而持续推广遇到困难。工业使用环境复杂,过去中低功率光纤激光器中往往采用风冷对泵浦源进行冷却,温度控制能力有限,因此很长一段时间,国内主导激光器技术方案仍旧是915nm泵浦方案。


经过和合作伙伴的多年努力,GW创造性解决了进口泵浦源微通道冷却不足导致的高温报警问题,为976nm泵浦方案工业化推广开辟了一条新的道路。通过泵浦源特别是976nm芯片的改进设计,与国内合作者开发了新一代高功率976nm泵浦源,摈弃了进口的微通道技术,创造性的提出了间接冷却方案,除保证泵浦源的稳定工作温度之外,可直接使用自来水进行冷却,无需专门配备去离子水、离子柱滤芯以及高压水冷机等。


从2015年设立上海公司,GW已经成功推出基于976nm技术的500W-12,000W工业用光纤激光器,上千台的工业用户的批量使用已经初步验证了976nm技术完全可以满足工业应用更严格的可靠性要求,而且在这个过程中通过和国内合作伙伴的持续努力,已经基本完成供应链的国产化,为976nm技术在国内的持续产业化奠定了基础。

供稿/光惠激光