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976nm泵浦源丨成本与技术的双重优势

导读: 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。

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。

高功率光纤激光器976nm泵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。

长光华芯致力于为光纤激光器提供理想泵浦源

图3 长光华芯976nm泵源

长光华芯自2012年成立以来一直致力于半导体激光器的研发、生产与销售,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,可满足客户的不同需求,长光华芯可提供:

(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。

经多家领先的第三方光纤激光器公司验证,采用长光华芯976nm泵浦源的光纤激光器具有光光转换效率可达85%,整机系统受环境温度影响微弱,±5℃波动范围内光纤激光器性能稳定等特点,同时有效节省有源光纤,使光纤激光器单瓦成本更低。

长光华芯976nm光纤耦合模块是工业高功率光纤激光器和飞秒光纤激光器理想泵浦源。

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