976nm高亮度光纤激光器军工技术产业化之路——泵浦源产业化

 新闻中心    |      2019-10-15 13:40:16

摘要

976nm泵浦技术由于其电光转化效率高、非线性效应低被认为是高功率光纤激光器发展的技术路线,但是由于温度敏感性高、技术难度高在相当长一段时间内,工业内尚不能完全工业规模化,相反,915nm泵浦技术路线成为工业大规模应用的主流;行业内一直把976nm泵浦技术的冷却系统的优化、稳定波长的VBG锁频技术作为小批量特种应用的主要研究方向。

国外激光器公司首先突破976nm泵浦技术并实现976nm泵浦技术工业化规模生产制造。GW自2015年以来通过不断研究和探索,初步完成976nm产业化布局。

截至目前,GW已经成功推出基于976nm技术的500W-3000W工业用单腔单模激光器及4000W-20,000W工业用多模光纤激光器,上千台的工业用户的批量使用已经初步验证了976nm技术完全可以满足工业应用更严格的可靠性要求,而且在这个过程中通过和国内合作伙伴的持续努力,已经基本完成供应链的国产化,为976nm技术在国内的持续产业化奠定了基础。

1、976nm泵浦技术VS915nm泵浦技术

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2、976nm泵浦技术瓶颈

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。

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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Dilas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。

3、国外厂商首先完成了976nm泵浦技术工业化规模生产制造

IPG一边在976nm泵浦的冷却方式进行系统的开发和研究,利用其独特的单管技术,具有输出密度低、低热负载、最简单的被动式冷却设计、半导体在热、电两端均为独立等热管理的优点,同时不断探索和完善976nm泵浦技术路线,目前IPG是业内首家完全掌握976nm泵浦技术并且进行大规模工业化使用的光纤激光器制造商。

Rofin976nm泵浦技术上紧跟其后,其利用德国Dilas泵浦二级体的mini-bar,使得其中心波长和线宽更加稳定,但最终因公司的经营管理及被Coherent收购的战略调整等因素而未广泛在工业大规模生产中应用。

4、GW的976nm泵浦技术路线工业化之路 

在多年技术研发经验积累的基础上,考虑到976nm泵浦技术的诸多优点,GW2015年进入中国,经过多年努力初步实现976nm工业化的规模应用,在下面几个方面进行了技术的突破及优化:

1)芯片的选型,其中中心波长和芯片的线宽是芯片的两个核心因子,GW经过反复的理论设计和实验验证,目前使用的芯片可以满功率在中心波长附近长期稳定运行,GW976nm芯片着手,重新定义适合大规模工业应用的976nm中心波长和线宽要求。

2)芯片和冷水版的温差系数,通过与合作伙伴设计优化芯片与冷水版的波长温差系数,通过泵浦源的基底热衬、结构设计、芯片的材料学设计等来优化多-单管封装技术,提高散热性能,完善高功率976nm泵浦二极体导热率、散热能力以及波长温漂系数等关键指标,同步结合冷却系统的流量参数、冷却剂等,从而降低976nm泵浦中相对较窄的吸收峰对温度变化的影响,GW经过了长期可靠性验证,通过10000小时的激光功率输出检测和光束能量分布的老化测试,目前GW创造性的解决了976nm泵浦的冷却问题,并且在国际国内机构申请了相关专利。

3)光纤增益腔的优化,通过反复优化泵浦结构、掺镱光纤的类型和长度来降低激光器对温度变化的影响。同时,通过均匀的双边泵浦,降低泵浦光随着增益光纤长度的变化而带来的吸收效率的变化,确保在一定温度范围内,可以实现稳定可靠的输出。

GW已经通过和供应商伙伴的不断优化,初步完成976nm产业化布局,推动了行业从传统的915nm泵浦技术向更高效的976nm泵浦技术的技术升级。截至目前,GW已经成功推出基于976nm技术的500W-3000W工业用单腔单模激光器及4000W-20,000W工业用多模光纤激光器,上千台的工业用户的批量使用已经初步验证了976nm技术完全可以满足工业应用更严格的可靠性要求,而且在这个过程中通过和国内合作伙伴的持续努力,已经基本完成供应链的国产化,为976nm技术在国内的持续产业化奠定了基础。

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