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在美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼在1960年宣布第一臺(tái)激光器誕生的兩年后，美國(guó)寶利來(lái)公司的E. Snitzer就報(bào)道了第一臺(tái)摻鐿光纖激光器。但是直到解決以下兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，光纖激光器才真正從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱茫?）1985年英國(guó)南安普頓大學(xué)光學(xué)研究中心通過(guò)MCVD研制出單模摻鐿光纖；2）1988年E. Snitzer光纖激光器提出雙包層光纖。九十年代初矩形內(nèi)包層的出現(xiàn)，使激光轉(zhuǎn)換效率提高到50%，輸出功率達(dá)到5W。進(jìn)入2000年以后，隨著高功率半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)和雙包層大模場(chǎng)光纖制作工藝的發(fā)展，光纖激光器的輸出功率逐步提高，采用單根光纖的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)了超過(guò)10,000W的激光輸出。

激光技術(shù)以其良好的遠(yuǎn)距傳輸特性和高能量密度，早在80年代就以化學(xué)激光器為代表進(jìn)入軍工領(lǐng)域。但是化學(xué)激光器的低輸出穩(wěn)定性和低光電轉(zhuǎn)換效率帶來(lái)的高能耗、龐大的體積和重量，使得激光武器長(zhǎng)期只能夠以大型波音飛機(jī)為載體，而且實(shí)用化進(jìn)展緩慢。光纖激光器在20世紀(jì)90年代開(kāi)始的高速發(fā)展，以及光纖激光器天然的高電光轉(zhuǎn)換效率和單模態(tài)輸出能力，贏得了軍工領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注，帶來(lái)了在以大模場(chǎng)摻鐿光纖、高亮度976nm泵浦二極體、高功率單模光纖激光器等方向?yàn)榇淼墓饫w激光器技術(shù)上的大規(guī)模研發(fā)投入。軍工方面的大規(guī)模投入也推動(dòng)光纖激光器技術(shù)升級(jí)的高速發(fā)展，如下圖所示，單模光纖激光器的輸出功率從1994年公開(kāi)報(bào)道的不到1W到2013年的超過(guò)10kW輸出功率。

不論是單模10kW還是100kW級(jí)合束多模激光器的激光系統(tǒng)集成技術(shù)，國(guó)內(nèi)的光纖激光器軍工技術(shù)的發(fā)展基本緊跟國(guó)際水平，但是在包括大模場(chǎng)摻鐿光纖和高亮度976nm泵浦二極體等關(guān)鍵零部件上相對(duì)落后，這也導(dǎo)致當(dāng)?shù)聡?guó)Rofin和美國(guó)IPG在2012年陸續(xù)推出基于976nm泵浦技術(shù)的1kW單模組高亮度光纖激光器和4kW多模組光纖激光器的時(shí)候，國(guó)產(chǎn)工業(yè)光纖激光器只有300-500W的連續(xù)光纖激光器產(chǎn)品。

公開(kāi)報(bào)道表明，976nm波段泵浦的光光效率可達(dá)到85%，而915nm波段泵浦的的光光效率為75%。在相同的泵浦功率下，相比915nm波段泵浦，采用976nm泵浦方案光纖激光器的輸出功率將高出13%。更高的光光轉(zhuǎn)換效率意味著更高的電光轉(zhuǎn)換效率，同樣激光輸出功率情況下更小的能耗、更低的水冷要求，極大的降低高能激光系統(tǒng)對(duì)電負(fù)載和體積、重量的要求，使得單兵激光武器、車(chē)載激光武器等移動(dòng)平臺(tái)成為可能。

如上圖所示，摻鐿光纖在976nm的吸收率是915nm泵浦波長(zhǎng)的3倍以上，高吸收率意味著更短的摻鐿光纖、更高的非線性效應(yīng)的閾值，最大限度規(guī)避高功率單模組激光器面臨的受激拉曼散射和受激布里淵散射帶來(lái)的輸出功率飽和甚至輸出功率不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使得高亮度976nm和泵浦二極體一直是軍工應(yīng)用的必選泵浦源。相比于國(guó)內(nèi)的915nm泵浦路線的25-30%光電轉(zhuǎn)化效率，976nm泵浦技術(shù)路線光電轉(zhuǎn)化效率超過(guò)42%，在6kW以上的超高功率激光器節(jié)能省電特點(diǎn)及帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)性被充分認(rèn)識(shí)并且是各大激光設(shè)備商一直追逐的方向。此外，976nm泵浦路線可實(shí)現(xiàn)的光束質(zhì)量更高，在切割領(lǐng)域，其切面錐度更小、切割斷面紋路更細(xì)；在焊接領(lǐng)域，976nm泵浦的單模高斯分布能量密度高，這在鋰電池等精密焊接領(lǐng)域擁有著獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。IPG在2005年開(kāi)始，系統(tǒng)掌握了976nm泵浦的激光器技術(shù)，為國(guó)際工業(yè)上首先成熟擁有976nm泵浦技術(shù)的激光器廠商。IPG使用獨(dú)特的側(cè)面泵浦技術(shù)去消除了976nm波長(zhǎng)的溫度敏感性，產(chǎn)品可以長(zhǎng)期穩(wěn)定使用，累計(jì)出貨10萬(wàn)臺(tái)左右，2018年收入超過(guò)14億美元。

但是高亮度976nm泵浦二極體產(chǎn)業(yè)鏈的不完善極大的影響了國(guó)產(chǎn)激光器廠商推出基于976nm軍工技術(shù)的高功率光纖激光器的產(chǎn)品進(jìn)度。GW激光自從2015年在上海建立生產(chǎn)制造基地就致力于976nm軍工技術(shù)光纖激光器的產(chǎn)業(yè)化。976nm軍工技術(shù)產(chǎn)業(yè)化首先要解決的就是可靠性問(wèn)題：從以項(xiàng)目研發(fā)驗(yàn)證為目的、激光工作時(shí)間可能只有幾分鐘到幾小時(shí)高光束質(zhì)量而廣受科研軍工機(jī)構(gòu)關(guān)注和使用，而工業(yè)應(yīng)用需要24小時(shí)7天的滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，這種長(zhǎng)期可靠性要求對(duì)整機(jī)設(shè)計(jì)、零部件選型、生產(chǎn)制造的一致性都提出了全新的挑戰(zhàn)。針對(duì)工業(yè)應(yīng)用嚴(yán)苛的可靠性要求，作為國(guó)內(nèi)976nm軍工技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的第一人，GW在2016年推出的1.5kW單模組激光器、2017年推出的3kW單模組激光器采用了以下策略：

1. 采用德國(guó)Dilas的IS58二極體系列中成熟的976nm300W泵浦源。有別于軍工項(xiàng)目上使用的600W、甚至800W976nm泵浦二極體，300W的IS58二極體已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用多年，有充分的工業(yè)環(huán)境使用的可靠性數(shù)據(jù)；

2. 采用Nufern的經(jīng)過(guò)工業(yè)應(yīng)用充分驗(yàn)證的VIII摻鐿光纖，保證工業(yè)應(yīng)用的長(zhǎng)期可靠性；

3. 采用自主開(kāi)發(fā)的反向泵浦合束器，運(yùn)用雙端泵浦技術(shù)，大大降低摻鐿光纖增益腔的熱負(fù)載和非線性效應(yīng)；

4. 全部銅電極連接，降低IS58的高工作電流帶來(lái)的熱負(fù)載；

5. 密封的激光器設(shè)計(jì)，防塵、防水、防結(jié)露；

即便如此，GW源自軍用激光的976nm泵浦技術(shù)方案亦經(jīng)歷了從軍用到工業(yè)的艱難歷程，其中進(jìn)口二級(jí)體微通道水路堵塞是976nm技術(shù)方案最大問(wèn)題，其原因主要是976nm波段的吸收峰較窄：在工作環(huán)境溫度變化時(shí)，泵浦源中心波長(zhǎng)的漂移造成增益有源光纖吸收率大幅變化，容易導(dǎo)致光纖激光器整機(jī)性能指標(biāo)波動(dòng)。微通道水路對(duì)水質(zhì)要求高，同時(shí)對(duì)水冷機(jī)的泵壓要求也比915nm泵浦技術(shù)方案高，使得已經(jīng)習(xí)慣傳統(tǒng)915nm泵浦方案的激光器的客戶不能適應(yīng)，從而客戶對(duì)GW的976nm泵浦技術(shù)認(rèn)同度并不高。部分客戶由于采用了普通的自來(lái)水及普通水冷機(jī)，在使用一段時(shí)間后頻繁出現(xiàn)高溫報(bào)警問(wèn)題，從而持續(xù)推廣遇到困難。工業(yè)使用環(huán)境復(fù)雜，過(guò)去中低功率光纖激光器中往往采用風(fēng)冷對(duì)泵浦源進(jìn)行冷卻，溫度控制能力有限，因此很長(zhǎng)一段時(shí)間，國(guó)內(nèi)主導(dǎo)激光器技術(shù)方案仍舊是915nm泵浦方案。

經(jīng)過(guò)和合作伙伴的多年努力，GW創(chuàng)造性解決了進(jìn)口泵浦源微通道冷卻不足導(dǎo)致的高溫報(bào)警問(wèn)題，為976nm泵浦方案工業(yè)化推廣開(kāi)辟了一條新的道路。通過(guò)泵浦源特別是976nm芯片的改進(jìn)設(shè)計(jì)，與國(guó)內(nèi)合作者開(kāi)發(fā)了新一代高功率976nm泵浦源，擯棄了進(jìn)口的微通道技術(shù)，創(chuàng)造性的提出了間接冷卻方案，除保證泵浦源的穩(wěn)定工作溫度之外，可直接使用自來(lái)水進(jìn)行冷卻，無(wú)需專門(mén)配備去離子水、離子柱濾芯以及高壓水冷機(jī)等。

從2015年設(shè)立上海公司，GW已經(jīng)成功推出基于976nm技術(shù)的500W-12,000W工業(yè)用光纖激光器，上千臺(tái)的工業(yè)用戶的批量使用已經(jīng)初步驗(yàn)證了976nm技術(shù)完全可以滿足工業(yè)應(yīng)用更嚴(yán)格的可靠性要求，而且在這個(gè)過(guò)程中通過(guò)和國(guó)內(nèi)合作伙伴的持續(xù)努力，已經(jīng)基本完成供應(yīng)鏈的國(guó)產(chǎn)化，為976nm技術(shù)在國(guó)內(nèi)的持續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

供稿/光惠激光