未来已来,大势所趋-976nm节能泵浦技术

来源:GW-首席战略官-夏庆    关键词:GW激光, 高亮度激光器, 泵浦技术,    发布时间:2020-02-17

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【摘要:976nm泵浦光纤激光器因其高性能使一直是定向能激光应用首选,以美国为代表的各国近三十年几十亿美元的投入也极大推动了光纤激光技术的高速发展和工业应用的普及,但是国内光纤激光器产业由于历史原因一直没有解决基于976nm泵浦的光纤激光器大规模工业应用的稳定性和可靠性问题。美国IPG以独有的分布式侧面泵浦技术,充分发挥基于976nm泵浦的光纤激光器的低成本、高光电转化效率高、高能量密度等独特优势引领了高功率光纤激光器的大规模工业化应用。GW专注976nm军工技术,攻克多项技术难题,在国内帅先实现基于976nm泵浦技术的光纤激光器的大规模工业应用,突破国外厂商的技术垄断,实现国内976nm军工技术的初步产业化。目前976nm泵浦技术以更高光电转化效率成为万瓦光纤激光主流技术路线的趋势越来越明显,并将不断推动新一代万瓦光纤激光器的技术升级、性价比的提升和加速在通用加工场景的应用渗透。】

1、976nm泵浦技术研究首先在军工领域展开

光纤激光器在20世纪90年代开始高速发展,由于976nm泵浦的波长吸收率高,其激光器的电光转化效率、体积、能量密度以及光束质量等参数更为优异,故自976nm泵浦技术出现以来,一直是国外及国内机构和研究单位研究和小规模特种使用的主要方向。976nm泵浦技术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,使得军方在高亮度976nm泵浦二极体及高功率单模光纤激光器等方向投入数十亿美元进行开发。军工的大规模投入推动光纤激光器技术升级和产品迭代,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,其中德国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。

2、976nm泵浦技术瓶颈曾限制其大规模应用

976nm吸收峰较窄,如上图所示,泵浦源的输出波长与温度有关,温度敏感系数约为0.3nm/℃,吸收率会随着波长的漂移产生巨大的变化,体现为温度变化对性能的影响较大,工业使用环境复杂,整机鲁棒性要求高,则对激光器的冷却和温控要求高,因此976nm泵浦技术的温度敏感性问题一直是工业大规模应用的瓶颈。相反,915nm吸收峰的宽度则远大于976nm吸收峰,吸收峰的特征也决定了工业激光器一度采用915nm泵浦而非976nm作为泵浦源作为技术路线。915nm吸收峰较宽,随着温度的变化其吸收率的变化较少,温度对其性能的影响不明显,工业环境长期使用下整机性能较为稳定可靠,在未突破976nm泵浦技术在工业上大规模应用之前,915nm泵浦技术路线是工业化大规模生产可靠的技术实现路线。


为了解决976nm泵浦技术的温度敏感性问题,一方面通过设计来提高冷却系统的散热效果,通过理论计算及有限元等多种手段来使得其散热效果率高,让其工作温度变化不超过5-10℃,德国知名泵浦源厂商率先通过微通道技术实现了较高效率的冷却系统,使得在一定条件下,可以小批量的稳定使用,但是微通道技术对冷却水要求高、水流量高,同时长期使用微通道容易结垢而需要定期清理,因此,在工业苛刻的服役环境中使得推广受到限制。另外一方面,研究表明,通过设计波长稳定的技术,即使用VBG的体光栅可以使得泵浦二级体在线偏移方面有着较大的提高,可以在5-10℃的范围内稳定工作,因此直至现在,在军工等特种应用一直使用带VBG的锁波长泵浦二级体。但是由于VBG锁波长泵浦二级体采购成本高,同时带来2-5%的电光转化效率的下降,此外,高功率泵浦的芯片发光点数量众多,每一个芯片发光点需要一个VBG,同时需要保证同一个波长频率,实现技术难度和成本都较高,仅在小规模特殊应用上使用,无法实现工业化大规模的生产。

3、976nm技术路线独特优势

由于976nm泵浦技术具备其工业大规模量产的独特优势,使得国内外光纤激光器制造商一直在976nm泵浦技术的工业化应用进行持续应用探索:

(1)用料更少

目前降低激光器成本的先进技术主要有泵浦效率更高的976nm技术方案,976nm更高泵浦效率及更短光纤。

以12kW为例

泵浦源成本

光纤成本


插电效率(wall-plug)

光光效率

泵浦源功率

有源光纤长度结构(4*3kW)

915nm

25-30%

70-75%

16-17.1kW

40m*4

976nm

40%

85%

15kW

20m*4

976nm比915nm泵浦的光电转化效率提高33.33%以上(从25-30%提高至40%以上);12kW的976nm比915nm产品成本低10%左右。


(2)运行成本更低

976nm泵浦方案因为其光电转化效率达到40%以上,相比于915nm泵浦的25-30%节能特性显著。以IPG的976nm泵浦技术的12kW的激光器为例,976nm泵浦激光器一年将比其他技术路线省电13.44万元,整个寿命期的节能费用接近甚至未来可能高于一台12kW激光器的价格,竞争优势极为明显。


【IPG官网】

(3)能量密度更高(高亮度)

单腔单模3000W实现20um光缆输出,M2(光束质量)小于1.3,能量密度达到240万瓦/平方毫米,目前是工业用光纤激光器的物理极限,而实现此能量密度正是基于976nm泵浦技术方案。

对于高端应用(动力电池焊接等精密焊接)的激光焊接对激光器的能量密度要求较高,目前动力电池领域的激光焊接主要基于976nm泵浦技术的光纤激光器。从公开资料来看,联赢激光、先导智能等行业知名企业主要应用的为基于976nm泵浦技术的高亮度激光器,目前国际上主要为IPG,国内开始使用GW。此外,极限光束质量亦是军工应用要求的性能指标,目前976nm泵浦激光器依旧是激光定向能武器的首选光源。

4、IPG-976nm泵浦技术工业大规模应用开拓者


IPG独有的分布式侧面泵浦技术,目前有超过十万台激光器在全球范围运行;


a)核心技术之侧向泵浦双包层技术:

多个泵浦二极管发出的光被高效地耦合进入有源增益光纤的包层,泵浦光在包层中进行多次反射,同时不断穿过单模纤芯,在纤芯中泵浦被Yb离子吸收和再发射。


b)核心技术之单芯结技术:

二极管多点耦合入有源光纤,无限制摄入光子,光纤端面无热点,分布式发射,长距离吸收-高效泵浦吸收。


IPG利用其独特的单管技术,具有输出密度低、低热负载、最简单的被动式冷却设计、半导体在热、电两端均为独立等热管理的优点,结合侧向泵浦双包层技术,可以将单管从有源光纤的多点耦合,数量上几乎没有限制(端面泵浦路线耦合进入泵浦合束器的数量有限,一般工业应用单臂不超过10个泵浦源,从而需要高功率的泵浦源(300W以上),才能输出高功率的单腔单模激光器),解决了温度敏感性问题同时实现了高功率的输出(万瓦级),此外IPG拥有成熟的波长一致性较好的976nm泵浦源生产线及相关的残余光剥除技术,解决了泵浦源良率及激光器开机时有源光纤热不平衡问题。目前IPG是业内首家完全掌握976nm泵浦技术并且进行大规模工业化使用的光纤激光器制造商。


Rofin在976nm泵浦技术上紧跟其后,其利用德国Dilas 泵浦二级体 的mini-bar,使得其中心波长和线宽更加稳定,但因种种原因最终未广泛在工业大规模生产中应用。

5、GW-中国976nm大规模工业应用引领者

GW Laser Technology LLC 于2014年9月在美国康涅狄格州成立,2015年11月于中国上海设立制造基地,主要致力于976nm泵浦技术产业化落地,GW经过多年努力初步实现976nm工业化的规模应用,并在下面几个方面进行了技术的突破及优化:

(1)泵浦的选型

GW从976nm芯片着手,重新定义和定制了适合大规模工业生产应用的976nm泵浦源。

(2)芯片和冷水板敏感性设计

参与泵浦源的芯片的基底热衬、结构设计等来优化多-单管封装技术,提高散热性能,同步结合直接水冷方式、流量参数、冷却剂等,保证各项关键指标稳定,目前GW创造性的解决了976nm泵浦的冷却问题,并且在国际国内机构申请了相关专利。

(3)结构设计及熔接点热管理

通过充分的热管理模拟和实验结果,创新性的设计水冷通道和冷却板,确保冷却系统温差不影响其输出性能。976nm波长吸收率高,熔接点能量密度高,GW采用独特的熔接点热管理技术,攻克了高功率的热平衡技术难题。

(4)残余光的处理

976nm泵浦技术中,残余光处理是其保持光纤热稳定的核心工艺,GW通过独特残余光处理技术解决器件损伤问题,确保高功率激光器的稳定性,并申请了相关专利。

(5)全局优化设计改善激光输出特性

通过全局优化振荡器设计、综合热管理技术、光栅反射特性等,抑制模式不稳定性效应、非线性效应,实现高功率高稳定性单腔单模的激光输出。

截至目前,GW已经成功推出基于976nm技术的500W-3kW工业用单腔单模激光器及4-20kW工业用多模光纤激光器,数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,目前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。

6、未来已来,大势所趋-基于976nm泵浦技术的万瓦激光器

光纤激光随着性能效率的不断提高,成本的不断降低,不断打开传统加工行业的性价比瓶颈,不断拓展行业应用的深度和广度,未来有望作为大规模生产制造通用化工具。目前整个工业呈现技术指数化的迭代方式,遵循摩尔定律,性能及效率不断提高,价格不断降低,而万瓦激光器正是技术在摩尔定律下升级迭代的产物。万瓦激光设备由于激光切割速度更快、切割效果更优(亮面切割),而且,目前使用空气切割等新工艺,使得综合运营成本降低一半以上,此外,目前的激光器价格亦有明显的下降,使得设备运营的综合性价比达到一个新的高度。据估计,预计未来五年国内市场容量达到60亿人民币以上,全球市场超过140亿人民币。


976nm泵浦方案因为其光电转化效率达到40%以上,相比于915nm泵浦的25-30%节能特性显著。以976nm泵浦技术的10kW的激光器为例,976nm泵浦激光器一年将比其他技术路线省电近10万元,整个寿命期的节能费用接近甚至未来可能高于一台10kW激光器的价格,竞争优势极为明显。


976nm泵浦技术以更高光电转化效率成为万瓦光纤激光主流技术路线的趋势越来越明显,并将不断推动新一代万瓦光纤激光器的技术升级、性价比的提升和加速在通用加工场景的应用渗透。

最后,感谢GW的CEO丁建武博士和光学研发部张先明博士对于本文的指导和修订,他们在976nm泵浦技术的多年研发经验为本文提供宝贵的理论和实践支持。