摘要:976nm泵浦技術由于其電光轉(zhuǎn)化效率高、非線性效應低被認為是高功率光纖激光器發(fā)展的技術路線,但是由于溫度敏感性高、技術難度高在相當長一段時間內(nèi),工業(yè)內(nèi)尚不能完全工業(yè)規(guī)?;?,相反,915nm泵浦技術路線成為工業(yè)大規(guī)模應用的主流;行業(yè)內(nèi)一直把976nm泵浦技術的冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化、穩(wěn)定波長的VBG鎖頻技術作為小批量特種應用的主要研究方向。
國外激光器公司首先突破976nm泵浦技術并實現(xiàn)976nm泵浦技術工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)制造。GW自2015年以來通過不斷研究和探索,初步完成976nm產(chǎn)業(yè)化布局。
截至目前,GW已經(jīng)成功推出基于976nm技術的500W-3000W工業(yè)用單腔單模激光器及4000W-20,000W工業(yè)用多模光纖激光器,上千臺的工業(yè)用戶的批量使用已經(jīng)初步驗證了976nm技術完全可以滿足工業(yè)應用更嚴格的可靠性要求,而且在這個過程中通過和國內(nèi)合作伙伴的持續(xù)努力,已經(jīng)基本完成供應鏈的國產(chǎn)化,為976nm技術在國內(nèi)的持續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎。
1、976nm泵浦技術VS915nm泵浦技術
2、976nm泵浦技術瓶頸
由于976nm泵浦的波長吸收率高,其激光器的電光轉(zhuǎn)化效率、體積、能量密度以及光束質(zhì)量等參數(shù)更為優(yōu)異,故自976nm泵浦技術出現(xiàn)以來,一直是國外及國內(nèi)機構和研究單位研究和小規(guī)模特種使用的主要方向。
為了解決976nm泵浦技術的溫度敏感性問題,一方面通過設計來提高冷卻系統(tǒng)的散熱效果,通過理論計算及有限元等多種手段來使得其散熱效果率高,讓其工作溫度變化不超過5-10℃,德國Dilas率先通過微通道技術實現(xiàn)了較高效率的冷卻系統(tǒng),使得在一定條件下,可以小批量的穩(wěn)定使用,但是微通道技術對冷卻水要求高、水流量高,同時長期使用微通道容易結(jié)垢而需要定期清理,因此,在工業(yè)苛刻的服役環(huán)境中使得推廣受到限制。另外一方面,研究表明,通過設計波長穩(wěn)定的技術,即使用VBG的體光柵可以使得泵浦二級體在線偏移方面有著較大的提高,可以在5-10℃的范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,因此直至現(xiàn)在,在軍工等特種應用一直使用帶VBG的鎖波長泵浦二級體。但是由于VBG鎖波長泵浦二級體采購成本高,同時帶來2-5%的電光轉(zhuǎn)化效率的下降,此外,高功率泵浦的芯片發(fā)光點數(shù)量眾多,每一個芯片發(fā)光點需要一個VBG,同時需要保證同一個波長頻率,實現(xiàn)技術難度和成本都較高,僅在小規(guī)模特殊應用上使用,無法實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模的生產(chǎn)。
3、國外廠商首先完成了976nm泵浦技術工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)制造
IPG一邊在976nm泵浦的冷卻方式進行系統(tǒng)的開發(fā)和研究,利用其獨特的單管技術,具有輸出密度低、低熱負載、最簡單的被動式冷卻設計、半導體在熱、電兩端均為獨立等熱管理的優(yōu)點,同時不斷探索和完善976nm泵浦技術路線,目前IPG是業(yè)內(nèi)首家完全掌握976nm泵浦技術并且進行大規(guī)模工業(yè)化使用的光纖激光器制造商。
Rofin在976nm泵浦技術上緊跟其后,其利用德國Dilas泵浦二級體的mini-bar,使得其中心波長和線寬更加穩(wěn)定,但最終因公司的經(jīng)營管理及被Coherent收購的戰(zhàn)略調(diào)整等因素而未廣泛在工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)中應用。
4、GW的976nm泵浦技術路線工業(yè)化之路
在多年技術研發(fā)經(jīng)驗積累的基礎上,考慮到976nm泵浦技術的諸多優(yōu)點,GW從2015年進入中國,經(jīng)過多年努力初步實現(xiàn)976nm工業(yè)化的規(guī)模應用,在下面幾個方面進行了技術的突破及優(yōu)化:
1)芯片的選型,其中中心波長和芯片的線寬是芯片的兩個核心因子,GW經(jīng)過反復的理論設計和實驗驗證,目前使用的芯片可以滿功率在中心波長附近長期穩(wěn)定運行,GW從976nm芯片著手,重新定義適合大規(guī)模工業(yè)應用的976nm中心波長和線寬要求。
2)芯片和冷水版的溫差系數(shù),通過與合作伙伴設計優(yōu)化芯片與冷水版的波長溫差系數(shù),通過泵浦源的基底熱襯、結(jié)構設計、芯片的材料學設計等來優(yōu)化多-單管封裝技術,提高散熱性能,完善高功率976nm泵浦二極體導熱率、散熱能力以及波長溫漂系數(shù)等關鍵指標,同步結(jié)合冷卻系統(tǒng)的流量參數(shù)、冷卻劑等,從而降低976nm泵浦中相對較窄的吸收峰對溫度變化的影響,GW經(jīng)過了長期可靠性驗證,通過10000小時的激光功率輸出檢測和光束能量分布的老化測試,目前GW創(chuàng)造性的解決了976nm泵浦的冷卻問題,并且在國際國內(nèi)機構申請了相關專利。
3)光纖增益腔的優(yōu)化,通過反復優(yōu)化泵浦結(jié)構、摻鐿光纖的類型和長度來降低激光器對溫度變化的影響。同時,通過均勻的雙邊泵浦,降低泵浦光隨著增益光纖長度的變化而帶來的吸收效率的變化,確保在一定溫度范圍內(nèi),可以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的輸出。
GW已經(jīng)通過和供應商伙伴的不斷優(yōu)化,初步完成976nm產(chǎn)業(yè)化布局,推動了行業(yè)從傳統(tǒng)的915nm泵浦技術向更高效的976nm泵浦技術的技術升級。截至目前,GW已經(jīng)成功推出基于976nm技術的500W-3000W工業(yè)用單腔單模激光器及4000W-20,000W工業(yè)用多模光纖激光器,上千臺的工業(yè)用戶的批量使用已經(jīng)初步驗證了976nm技術完全可以滿足工業(yè)應用更嚴格的可靠性要求,而且在這個過程中通過和國內(nèi)合作伙伴的持續(xù)努力,已經(jīng)基本完成供應鏈的國產(chǎn)化,為976nm技術在國內(nèi)的持續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎。
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