機床商務網公司動態
未來已來，大勢所趨-976nm節能泵浦技術
閱讀：213 發布時間：2022-8-21摘要：976nm泵浦光纖激光器因其高性能使一直是定向能激光應用，以美國為代表的各國近三十年幾十億美元的投入也極大推動了光纖激光技術的高速發展和工業應用的普及，但是國內光纖激光器產業由于歷史原因一直沒有解決基于976nm泵浦的光纖激光器大規模工業應用的穩定性和可靠性問題。美國IPG以的分布式側面泵浦技術，充分發揮基于976nm泵浦的光纖激光器的低成本、高光電轉化效率高、高能量密度等優勢了高功率光纖激光器的大規模工業化應用。GW專注976nm技術，攻克多項技術難題，在國內帥先實現基于976nm泵浦技術的光纖激光器的大規模工業應用，突破國外廠商的技術壟斷，實現國內976nm技術的初步產業化。目前976nm泵浦技術以更高光電轉化效率成為萬瓦光纖激光主流技術路線的趨勢越來越明顯，并將不斷推動新一代萬瓦光纖激光器的技術升級、性價比的提升和加速在通用加工場景的應用滲透。
2、976nm泵浦技術瓶頸曾限制其大規模應用
976nm吸收峰較窄，如上圖所示，泵浦源的輸出波長與溫度有關，溫度敏感系數約為0.3nm/℃，吸收率會隨著波長的漂移產生巨大的變化，體現為溫度變化對性能的影響較大，工業使用環境復雜，整機魯棒性要求高，則對激光器的冷卻和溫控要求高，因此976nm泵浦技術的溫度敏感性問題一直是工業大規模應用的瓶頸。相反，915nm吸收峰的寬度則遠大于976nm吸收峰，吸收峰的特征也決定了工業激光器一度采用915nm泵浦而非976nm作為泵浦源作為技術路線。915nm吸收峰較寬，隨著溫度的變化其吸收率的變化較少，溫度對其性能的影響不明顯，工業環境長期使用下整機性能較為穩定可靠，在未突破976nm泵浦技術在工業上大規模應用之前，915nm泵浦技術路線是工業化大規模生產可靠的技術實現路線。
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℃，德國泵浦源廠商通過微通道技術實現了較高效率的冷卻系統，使得在一定條件下，可以小批量的穩定使用，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垢而需要定期清理，因此，在工業苛刻的服役環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℃的范圍內穩定工作，因此直至現在，在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%的電光轉化效率的下降，此外，高功率泵浦的芯片發光點數量眾多，每一個芯片發光點需要一個VBG，同時需要保證同一個波長頻率，實現技術難度和成本都較高，僅在小規模特殊應用上使用，無法實現工業化大規模的生產。
3、976nm技術路線優勢
由于976nm泵浦技術具備其工業大規模量產的優勢，使得國內外光纖激光器制造商一直在976nm泵浦技術的工業化應用進行持續應用探索：
01用料更少
目前降低激光器成本的*技術主要有泵浦效率更高的976nm技術方案，976nm更高泵浦效率及更短光纖。
| 以12kW為例 | 泵浦源成本 | 光纖成本 | ||
| 插電效率（wall-plug） | 光光效率 | 泵浦源功率 | 有源光纖長度結構（4*3kW） | |
| 915nm | 25-30% | 70-75% | 16-17.1kW | 40m*4 |
| 976nm | 40% | 85% | 15kW | 20m*4 |
976nm比915nm泵浦的光電轉化效率提高33.33%以上（從25-30%提高至40%以上）；12kW的976nm比915nm產品成本低10%左右。
02運行成本更低
976nm泵浦方案因為其光電轉化效率達到40%以上，相比于915nm泵浦的25-30%節能特性顯著。以IPG的976nm泵浦技術的12kW的激光器為例，976nm泵浦激光器一年將比其他技術路線省電13.44萬元，整個壽命期的節能費用接近甚至未來可能高于一臺12kW激光器的價格，競爭優勢極為明顯。
03能量密度更高（高亮度）
單腔單模3000W實現20um光纜輸出，M2（光束質量）小于1.3，能量密度達到240萬瓦/平方毫米，目前是工業用光纖激光器的物理極限，而實現此能量密度正是基于976nm泵浦技術方案。
對于應用（動力電池焊接等精密焊接）的激光焊接對激光器的能量密度要求較高，目前動力電池領域的激光焊接主要基于976nm泵浦技術的光纖激光器。從公開資料來看，聯贏激光、先導智能等行業企業主要應用的為基于976nm泵浦技術的高亮度激光器，目前國際上主要為IPG，國內開始使用GW。此外，極限光束質量亦是應用要求的性能指標，目前976nm泵浦激光器依舊是激光定向能的光源。
4、IPG-976nm泵浦技術工業大規模應用
IPG的分布式側面泵浦技術，目前有超過十萬臺激光器在范圍運行；
a)核心技術之側向泵浦雙包層技術：
多個泵浦二極管發出的光被高效地耦合進入有源增益光纖的包層，泵浦光在包層中進行多次反射，同時不斷穿過單模纖芯，在纖芯中泵浦被Yb離子吸收和再發射。
b)核心技術之單芯結技術：
二極管多點耦合入有源光纖，無限制攝入光子，光纖端面無熱點，分布式發射，長距離吸收-高效泵浦吸收。
IPG利用其的單管技術，具有輸出密度低、低熱負載、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點，結合側向泵浦雙包層技術，可以將單管從有源光纖的多點耦合，數量上幾乎沒有限制（端面泵浦路線耦合進入泵浦合束器的數量有限，一般工業應用單臂不超過10個泵浦源，從而需要高功率的泵浦源（300W以上），才能輸出高功率的單腔單模激光器），解決了溫度敏感性問題同時實現了高功率的輸出（萬瓦級），此外IPG擁有成熟的波長一致性較好的976nm泵浦源生產線及相關的殘余光剝除技術，解決了泵浦源良率及激光器開機時有源光纖熱不平衡問題。目前IPG是業內*掌握976nm泵浦技術并且進行大規模工業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定，但因種種原因最終未廣泛在工業大規模生產中應用。
5、GW-中國976nm大規模工業應用者
GW Laser Technology LLC 于2014年9月在美國康涅狄格州成立，2015年11月于中國上海設立制造基地，主要致力于976nm泵浦技術產業化落地，GW經過多年努力初步實現976nm工業化的規模應用，并在下面幾個方面進行了技術的突破及優化：
01泵浦的選型
GW從976nm芯片著手，重新定義和定制了適合大規模工業生產應用的976nm泵浦源。
02芯片和冷水板敏感性設計
參與泵浦源的芯片的基底熱襯、結構設計等來優化多-單管封裝技術，提高散熱性能，同步結合直接水冷方式、流量參數、冷卻劑等，保證各項關鍵指標穩定，目前GW創造性的解決了976nm泵浦的冷卻問題，并且在國際國內機構申請了相關。
03結構設計及熔接點熱管理
通過充分的熱管理模擬和實驗結果，創新性的設計水冷通道和冷卻板，確保冷卻系統溫差不影響其輸出性能。976nm波長吸收率高，熔接點能量密度高，GW采用的熔接點熱管理技術，攻克了高功率的熱平衡技術難題。
04殘余光的處理
976nm泵浦技術中，殘余光處理是其保持光纖熱穩定的核心工藝，GW通過殘余光處理技術解決器件損傷問題，確保高功率激光器的穩定性，并申請了相關。
05全局優化設計改善激光輸出特性
通過全局優化振蕩器設計、綜合熱管理技術、光柵反射特性等，抑制模式不穩定性效應、非線性效應，實現高功率高穩定性單腔單模的激光輸出。
截至目前，GW已經成功推出基于976nm技術的500W-3kW工業用單腔單模激光器及4-20kW工業用多模光纖激光器，數千臺的工業用戶的批量使用已經初步驗證了976nm技術*可以滿足工業應用更嚴格的可靠性要求，目前已經基本完成供應鏈的國產化，為976nm技術在國內的持續產業化奠定了基礎。
6、未來已來，大勢所趨
光纖激光隨著性能效率的不斷提高，成本的不斷降低，不斷打開傳統加工行業的性價比瓶頸，不斷拓展行業應用的深度和廣度，未來有望作為大規模生產制造通用化工具。目前整個工業呈現技術指數化的迭代方式，遵循摩爾定律，性能及效率不斷提高，價格不斷降低，而萬瓦激光器正是技術在摩爾定律下升級迭代的產物。萬瓦激光設備由于激光切割速度更快、切割效果更優（亮面切割），而且，目前使用空氣切割等新工藝，使得綜合運營成本降低一半以上，此外，目前的激光器價格亦有明顯的下降，使得設備運營的綜合性價比達到一個新的高度。據估計，預計未來五年國內市場容量達到60億人民幣以上，市場超過140億人民幣。
976nm泵浦方案因為其光電轉化效率達到40%以上，相比于915nm泵浦的25-30%節能特性顯著。以976nm泵浦技術的10kW的激光器為例，976nm泵浦激光器一年將比其他技術路線省電近10萬元，整個壽命期的節能費用接近甚至未來可能高于一臺10kW激光器的價格，競爭優勢極為明顯。
976nm泵浦技術以更高光電轉化效率成為萬瓦光纖激光主流技術路線的趨勢越來越明顯，并將不斷推動新一代萬瓦光纖激光器的技術升級、性價比的提升和加速在通用加工場景的應用滲透。
最后，感謝GW的CEO丁建武博士和光學研發部張先明博士對于本文的指導和修訂，他們在976nm泵浦技術的多年研發經驗為本文提供寶貴的理論和實踐支持。
來源：GW-戰略官-夏慶