万瓦激光技术路线风向标——多路合束or单路放大？

发布时间：2022-03-18 07:19:00来源：维科网激光

2021年，中国是全球唯一一个从2020年疫情中快速恢复经济的主要经济体，全年全国的规模以上工业增加值比上年增长9.6%，其中高技术制造业和装备制造业增加值分别增长18.2%、12.9%。特别是中国激光产业近年来发展迅猛，激光产业链规模快速增加，2020年工业、信息、商业、医学和科研领域的激光设备（含进口）市场销售总收入为692亿元，较2019年同比增长了5.2个百分点。在光伏、动力电池、汽车等行业持续景气的作用下，2021年中国激光设备市场整体销售收入将同比增长15.6%，达到800亿元。

▲2010-2021年中国激光设备市场情况

与此同时，激光器的技术也是快速迭代，首先泵浦技术从温控区域较宽的915nm方案转型至吸收效率更高的976nm方案，目前在高功率连续光纤激光器的泵浦技术路线上，976nm泵浦技术已经成为主流技术方案，此外，在万瓦激光的技术上，一直存在着“单路光纤放大”和“多路光束合成”之争，市场不断发展，对于技术、成本、效率等综合因素成为工业光纤激光器市场选择的核心因素，下面我们就两种技术路线做些分解。

万瓦激光器技术路线方向

1.多路光束合成方案

按照系统结构不同，光纤激光器可以分为：直接振荡器结构光纤激光器与主振荡功率放大（MOPA）结构光纤激光器。直接振荡器结构的光纤激光器结构简单，只包含一个激光振荡器，光栅通过选定并输出所选定特定的波长。

对于直接振荡器构型的光纤激光器来说，它主要有由一对光栅（低反射+高反射），一根增益光纤，若干泵浦构成。多束泵浦光通过合束器耦合进一根增益光纤，使增益光纤处于粒子数的反转分布状态，从而实现光的受激辐射放大，最后通过低反射光栅选取特定波长的激光通过输出光纤传输至输出头。

▲基直接振荡器结构光纤激光器

按照泵浦方式不同可分为：正向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。泵浦光注入方向与激光输出方向一致的称为正向泵浦；泵浦光注入方向与激光输出方向一致相反的称为正反向泵浦；泵浦光同时从正向和反向注入的称为双向泵浦。目前市面上，GW和IPG采用的都是上图所示这种双向泵浦的方案。

目前，一台主流的直接振荡器结构的光纤激光器或者模块，其功率大致在3KW，更高功率的激光器是由一个个模块合束而来，即将多个模块输出的光通过合束器耦合进一根光纤中然后输出。如，12KW就是由4个3KW模块合束得到。

▲多路光束合成方案高功率光纤激光器

2.单路光纤放大方案

MOPA结构的光纤激光器包含一个激光振荡器和一级或多级光纤放大器，将振荡器中光栅选定的波长作为种子光，种子光在多级放大器的作用下被放大，使输出功率得到一定程度的提升。

对于这样的高功率激光器，其功率提升不是靠增加模块数量，主要是依靠多级放大器来实现的。如，12KW就是通过3级放大得到。

▲基于MOPA构型的单路光纤放大方案高功率光纤激光器

多路合束万瓦激光器优势

1.整机结构简单易维护

单路放大型的高功率激光器由于只有一个模块，其内部光、电、水的排布要更加复杂。它控制系统相对更复杂，振荡器与放大器在开机和关机时需要遵循一定的时序关系：开激光时，要先开启振荡器，然后从首级放大器开始逐级开启放大器；关激光时，从末级放大器开始，逐级往前关闭放大器。一旦时序发生错乱，极有可能导致激光器的严重损坏。

光惠激光所采用的多光束合成方案，激光器控制比较简单，不存在时序问题，程序控制出现问题，也不会对机器造成损伤。一旦激光器发生故障，只需拆卸损坏的模块、然后替换上新的模块即可完成维修。对于客户来说，更加节省维修时间。

2.抗回返光能力强

区别于振荡器，放大器的增益光纤两端没有光栅，加工高反材料时的回返光或者后级放大器的反向光易回到前级放大器，干扰前级放大器的工作，甚至造成破坏，因此需要额外增加光隔离措施。

光惠激光的多光束合成方案，每个模块只有一个振荡器，不会存在反向光；同时，光惠激光的独门秘籍—ABR抗高反技术：单个模块设有五级回返光探测与剥除装置；多模激光器在单个模块的五级抗高反基础上，每个模块又单独设有一级抗回返光装置，可以有效保障内部器件不被损伤，保证激光器的稳定运行，轻松切割金、银、铜、铝等高反材料，胜任各种焊接应用。

3.双向泵浦提高系统稳定性

➢抑制激光噪声

对于正向和反向泵浦来说，泵浦光从一端注入掺镱光纤，在掺镱光纤的输入端泵浦光较强，故粒子反转激励也强，但由于吸收的因素，泵浦光将沿光纤长度而衰减，使得在一定的光纤长度上达到增益饱和而使噪声增加。双向泵浦可以使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使增益在光纤中也均匀分布，使得噪声减小。

➢缓解单端压力

过大的泵浦光能量耦合进增益光纤，增益光纤起始段对泵浦光产生了大量的吸收，因此在起始段光纤温度最高，光纤熔点承受的压力最大。双端向泵浦可以使增益光纤两边两个熔点分担压力，使系统运行更稳定。

➢加大模式不稳定的阈值

模式不稳定与增益光纤的热负荷有关。采用双端泵浦的方式后，可以使增益光纤的温度分布更加均匀，减弱热效应，提高了模式不稳定的阈值。

4.976nm泵浦方案优势明显

▶更高的转化率

掺镱光纤在915nm和976nm波段有两个较强的吸收峰，因此掺镱光纤激光器通常选用的泵浦光波段为915nm或975nm。其中，975nm的吸收峰较高，大约是915nm的3倍，故产生相同功率的1070nm激光，所消耗的976nm泵浦光仅为915nm光的三分之一。而泵浦光是由电能转化而来，这就意味着采用976nm泵浦源，所消耗的电能更小，更加高效节能。

▶更低的非线性效应

在连续单频光纤激光器中，存在一些非线性效应，影响较大的有受激布里渊散射、受激拉曼散射以及光克尔效应等，这些非线性效应会使光束质量劣化。得益于976nm波长较高的吸收峰，在相同吸收效率的前提下，增益光纤可以做得更短，而减小光纤长度有助于避免抑制非线性效应。

作者：光惠激光应用工程师顾佳星

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