近年來國內激光技術不斷突破,光纖激光器的國產化率不斷提升,打破了國外企業在光纖激光器領域的壟斷,迫使同類進口產品價格下降50%,進一步推動了光纖激光器應用的推廣。在市場占有率方面,高功率光纖激光器在2018年實現了放量增長,國產化占比提升至33%左右。從2019年開始,設備商已經從試用國產超高功率激光器,轉向直接投入終端批量加工。
隨著國產超高功率光纖激光器技術的日趨成熟和穩定,國產超高功率萬瓦級光纖激光器得到了越來越多業內人士的認可。超高功率光纖激光器常用技術方案分為單纖放大輸出及多模塊合成輸出。其中每種放大方式都有自己的優點和缺點:
一、單纖放大輸出
同帶泵浦技術
基于同帶泵浦技術的單纖萬瓦級全光纖激光器系統的主要工作原理是三級或多級放大,由主振蕩器(種子源),半導體激光泵浦下的光纖放大器,同帶泵浦光纖放大器和泵浦濾除器依次相連并由QBH輸出光纖激光。整套系統理論上易于實現,但在實際操作中放大級數越多,對光纖所承受的激光密度要求越高,有例如光路系統復雜、非線性效應明顯、可擴展性差、功率輸出有限等風險。
多芯光纖合成技術
多泵浦合束器發散控制的大功率多芯摻雜雙包層光纖激光器解決了普通光纖激光器單根纖芯的輸出功率低、光束質量差的問題,但這種方案出現的缺陷是多芯光纖制備困難、熱管理困難、可擴展性差功率輸出有限。
GT-Wave技術
基于GT-Wave Fiber的光纖激光器技術,可以利用雙向激光增加泵浦的轉換效率,但是GT-Wave制作難度高、熱管理困難、可擴展性差、功率輸出有限。
二、多模塊合成
主動相干合成
功率放大相干合成技術采用同源種子通過三級分布式放大,再經過相干合成實現萬瓦級激光輸出,光的相干性非常好,但這種技術對光路系統的穩定性,相位同步性控制提出了很高的要求。
全光纖被動合束
全光纖被動合成技術通過對多束大功率光纖激光器的合束,實現萬瓦級激光功率輸出,整套方案具有結構緊湊、合束效率高、穩定可靠性等優點。這種合成方式使用多個激光模組進行擴展、模塊化設計可擴展性強、整機系統穩定性高,易于工程化,這也是創鑫激光超高功率光纖激光器所使用的技術方案。
三、創鑫激光超高功率激光器
高性能半導體泵浦源
泵浦源是激光器的心臟,創鑫激光通過芯片封裝技術的全面突破,研制出了輸出光纖芯徑為135微米的高性能高亮度半導體泵浦源,最高功率可達500W,功率密度提升2倍。
高功率合束技術
高功率激光合束技術的成功應用,為創鑫激光實現萬瓦級超高功率激光提供了技術保證。此項技術經過研發團隊三年多數百次的改進,逐步消除光斑分化、偏心、填充不滿、局部凹陷等,得到完美的光斑分布形態 ,現可達到單臂輸入>5000W,總輸出功率>35000W,平均效率>99%,內部溫度<45℃。
光斑形態可調技術
針對不同用戶及應用場景,創鑫激光可以進行產品的光斑定制,兼顧薄厚板切割性能;還可以通過光斑整形技術,實現光斑能量環形分布,并且可以對環形光斑進行深度優化,以滿足特殊的工藝需求。
超高功率激光輸出頭
與超高功率激光器配套的激光輸出頭由創鑫激光經過數十種設計不斷探索自主研發而來,采用全新雙層密封水冷循環,可達到回返光消除比例>80%。為保證品質,在制造中需通過數十項可靠性測試、三十余道精益工藝、數十道質檢嚴格把關。
模塊化結構設計
創鑫激光超高功率光纖激光器整機由多個單模塊組成,每個單模塊又采用光電模塊分離設計,如此一來后期維護更方便,可現場快速更換相關模塊。目前創鑫激光已經實現國產高功率單模塊激光器的量產能力,能夠以最少數的模塊合束成萬瓦光纖激光器,使得萬瓦光纖激光器體積更小,內部結構更緊湊,性能更穩定。
目前,創鑫激光超高功率光纖激光器在設計、技術、器件等方面都具備了一定的優勢,現已經有了一整套萬瓦光纖激光器產品系列,形成了獨特的生產體系。未來,創鑫激光在超高功率光纖激光器的發展道路上將不斷創新,讓國產超高功率光纖激光器更廣泛應用于世界先進制造、先進加工領域。