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一文看懂976nm泵浦技术的前生今世

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,在国内率先实现基于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。

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