【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(yīng)用首選，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(dòng)了光纖激光技術(shù)的高速發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用的普及，但是國內(nèi)光纖激光器產(chǎn)業(yè)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(guī)模工業(yè)應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性問題。美國IPG以獨(dú)有的分布式側(cè)面泵浦技術(shù)，充分發(fā)揮基于976nm泵浦的光纖激光器的低成本、高光電轉(zhuǎn)化效率高、高能量密度等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)引領(lǐng)了高功率光纖激光器的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。GW專注976nm軍工技術(shù)，攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，在國內(nèi)帥先實(shí)現(xiàn)基于976nm泵浦技術(shù)的光纖激光器的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，突破國外廠商的技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)976nm軍工技術(shù)的初步產(chǎn)業(yè)化。目前976nm泵浦技術(shù)以更高光電轉(zhuǎn)化效率成為萬瓦光纖激光主流技術(shù)路線的趨勢(shì)越來越明顯，并將不斷推動(dòng)新一代萬瓦光纖激光器的技術(shù)升級(jí)、性價(jià)比的提升和加速在通用加工場景的應(yīng)用滲透?！?

1、976nm泵浦技術(shù)研究首先在軍工領(lǐng)域展開

光纖激光器在20世紀(jì)90年代開始高速發(fā)展，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(shù)出現(xiàn)以來，一直是國外及國內(nèi)機(jī)構(gòu)和研究單位研究和小規(guī)模特種使用的主要方向。976nm泵浦技術(shù)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，使得軍方在高亮度976nm泵浦二極體及高功率單模光纖激光器等方向投入數(shù)十億美元進(jìn)行開發(fā)。軍工的大規(guī)模投入推動(dòng)光纖激光器技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)品迭代，單模光纖激光器的輸出功率從1994年公開報(bào)道的不到1W到2013年的超過10kW輸出功率，其中德國Rofin和美國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。

2、976nm泵浦技術(shù)瓶頸曾限制其大規(guī)模應(yīng)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(guān)，溫度敏感系數(shù)約為0.3nm/℃，吸收率會(huì)隨著波長的漂移產(chǎn)生巨大的變化，體現(xiàn)為溫度變化對(duì)性能的影響較大，工業(yè)使用環(huán)境復(fù)雜，整機(jī)魯棒性要求高，則對(duì)激光器的冷卻和溫控要求高，因此976nm泵浦技術(shù)的溫度敏感性問題一直是工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。相反，915nm吸收峰的寬度則遠(yuǎn)大于976nm吸收峰，吸收峰的特征也決定了工業(yè)激光器一度采用915nm泵浦而非976nm作為泵浦源作為技術(shù)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(duì)其性能的影響不明顯，工業(yè)環(huán)境長期使用下整機(jī)性能較為穩(wěn)定可靠，在未突破976nm泵浦技術(shù)在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用之前，915nm泵浦技術(shù)路線是工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)可靠的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線。

為了解決976nm泵浦技術(shù)的溫度敏感性問題，一方面通過設(shè)計(jì)來提高冷卻系統(tǒng)的散熱效果，通過理論計(jì)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℃，德國知名泵浦源廠商率先通過微通道技術(shù)實(shí)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(shù)對(duì)冷卻水要求高、水流量高，同時(shí)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(shè)計(jì)波長穩(wěn)定的技術(shù)，即使用VBG的體光柵可以使得泵浦二級(jí)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(yīng)用一直使用帶VBG的鎖波長泵浦二級(jí)體。但是由于VBG鎖波長泵浦二級(jí)體采購成本高，同時(shí)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(diǎn)數(shù)量眾多，每一個(gè)芯片發(fā)光點(diǎn)需要一個(gè)VBG，同時(shí)需要保證同一個(gè)波長頻率，實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度和成本都較高，僅在小規(guī)模特殊應(yīng)用上使用，無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模的生產(chǎn)。

3、976nm技術(shù)路線獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

由于976nm泵浦技術(shù)具備其工業(yè)大規(guī)模量產(chǎn)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使得國內(nèi)外光纖激光器制造商一直在976nm泵浦技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)行持續(xù)應(yīng)用探索：

（1）用料更少

目前降低激光器成本的先進(jìn)技術(shù)主要有泵浦效率更高的976nm技術(shù)方案，976nm更高泵浦效率及更短光纖。

976nm比915nm泵浦的光電轉(zhuǎn)化效率提高33.33%以上（從25-30%提高至40%以上）；12kW的976nm比915nm產(chǎn)品成本低10%左右。

（2）運(yùn)行成本更低

976nm泵浦方案因?yàn)槠涔怆娹D(zhuǎn)化效率達(dá)到40%以上，相比于915nm泵浦的25-30%節(jié)能特性顯著。以IPG的976nm泵浦技術(shù)的12kW的激光器為例，976nm泵浦激光器一年將比其他技術(shù)路線省電13.44萬元，整個(gè)壽命期的節(jié)能費(fèi)用接近甚至未來可能高于一臺(tái)12kW激光器的價(jià)格，競爭優(yōu)勢(shì)極為明顯。

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（3）能量密度更高（高亮度）

單腔單模3000W實(shí)現(xiàn)20um光纜輸出，M2（光束質(zhì)量）小于1.3，能量密度達(dá)到240萬瓦/平方毫米，目前是工業(yè)用光纖激光器的物理極限，而實(shí)現(xiàn)此能量密度正是基于976nm泵浦技術(shù)方案。

對(duì)于高端應(yīng)用（動(dòng)力電池焊接等精密焊接）的激光焊接對(duì)激光器的能量密度要求較高，目前動(dòng)力電池領(lǐng)域的激光焊接主要基于976nm泵浦技術(shù)的光纖激光器。從公開資料來看，聯(lián)贏激光、先導(dǎo)智能等行業(yè)知名企業(yè)主要應(yīng)用的為基于976nm泵浦技術(shù)的高亮度激光器，目前國際上主要為IPG，國內(nèi)開始使用GW。此外，極限光束質(zhì)量亦是軍工應(yīng)用要求的性能指標(biāo)，目前976nm泵浦激光器依舊是激光定向能武器的首選光源。

4、IPG-976nm泵浦技術(shù)工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用開拓者

IPG獨(dú)有的分布式側(cè)面泵浦技術(shù)，目前有超過十萬臺(tái)激光器在全球范圍運(yùn)行；

a)核心技術(shù)之側(cè)向泵浦雙包層技術(shù)：

多個(gè)泵浦二極管發(fā)出的光被高效地耦合進(jìn)入有源增益光纖的包層，泵浦光在包層中進(jìn)行多次反射，同時(shí)不斷穿過單模纖芯，在纖芯中泵浦被Yb離子吸收和再發(fā)射。

b)核心技術(shù)之單芯結(jié)技術(shù)：

二極管多點(diǎn)耦合入有源光纖，無限制攝入光子，光纖端面無熱點(diǎn)，分布式發(fā)射，長距離吸收-高效泵浦吸收。

IPG利用其獨(dú)特的單管技術(shù)，具有輸出密度低、低熱負(fù)載、最簡單的被動(dòng)式冷卻設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體在熱、電兩端均為獨(dú)立等熱管理的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合側(cè)向泵浦雙包層技術(shù)，可以將單管從有源光纖的多點(diǎn)耦合，數(shù)量上幾乎沒有限制（端面泵浦路線耦合進(jìn)入泵浦合束器的數(shù)量有限，一般工業(yè)應(yīng)用單臂不超過10個(gè)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(shí)實(shí)現(xiàn)了高功率的輸出（萬瓦級(jí)），此外IPG擁有成熟的波長一致性較好的976nm泵浦源生產(chǎn)線及相關(guān)的殘余光剝除技術(shù)，解決了泵浦源良率及激光器開機(jī)時(shí)有源光纖熱不平衡問題。目前IPG是業(yè)內(nèi)首家完全掌握976nm泵浦技術(shù)并且進(jìn)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(shù)上緊跟其后，其利用德國Dilas 泵浦二級(jí)體 的mini-bar，使得其中心波長和線寬更加穩(wěn)定，但因種種原因最終未廣泛在工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng)用。

5、GW-中國976nm大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用引領(lǐng)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(shè)立制造基地，主要致力于976nm泵浦技術(shù)產(chǎn)業(yè)化落地，GW經(jīng)過多年努力初步實(shí)現(xiàn)976nm工業(yè)化的規(guī)模應(yīng)用，并在下面幾個(gè)方面進(jìn)行了技術(shù)的突破及優(yōu)化：

（1）泵浦的選型

GW從976nm芯片著手，重新定義和定制了適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的976nm泵浦源。

（2）芯片和冷水板敏感性設(shè)計(jì)

參與泵浦源的芯片的基底熱襯、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等來優(yōu)化多-單管封裝技術(shù)，提高散熱性能，同步結(jié)合直接水冷方式、流量參數(shù)、冷卻劑等，保證各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)穩(wěn)定，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(jī)構(gòu)申請(qǐng)了相關(guān)專利。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及熔接點(diǎn)熱管理

通過充分的熱管理模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)水冷通道和冷卻板，確保冷卻系統(tǒng)溫差不影響其輸出性能。976nm波長吸收率高，熔接點(diǎn)能量密度高，GW采用獨(dú)特的熔接點(diǎn)熱管理技術(shù)，攻克了高功率的熱平衡技術(shù)難題。

（4）殘余光的處理

976nm泵浦技術(shù)中，殘余光處理是其保持光纖熱穩(wěn)定的核心工藝，GW通過獨(dú)特殘余光處理技術(shù)解決器件損傷問題，確保高功率激光器的穩(wěn)定性，并申請(qǐng)了相關(guān)專利。

（5）全局優(yōu)化設(shè)計(jì)改善激光輸出特性

通過全局優(yōu)化振蕩器設(shè)計(jì)、綜合熱管理技術(shù)、光柵反射特性等，抑制模式不穩(wěn)定性效應(yīng)、非線性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高功率高穩(wěn)定性單腔單模的激光輸出。

截至目前，GW已經(jīng)成功推出基于976nm技術(shù)的500W-3kW工業(yè)用單腔單模激光器及4-20kW工業(yè)用多模光纖激光器，數(shù)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，目前已經(jīng)基本完成供應(yīng)鏈的國產(chǎn)化，為976nm技術(shù)在國內(nèi)的持續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

6、未來已來，大勢(shì)所趨-基于976nm泵浦技術(shù)的萬瓦激光器

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(tǒng)加工行業(yè)的性價(jià)比瓶頸，不斷拓展行業(yè)應(yīng)用的深度和廣度，未來有望作為大規(guī)模生產(chǎn)制造通用化工具。目前整個(gè)工業(yè)呈現(xiàn)技術(shù)指數(shù)化的迭代方式，遵循摩爾定律，性能及效率不斷提高，價(jià)格不斷降低，而萬瓦激光器正是技術(shù)在摩爾定律下升級(jí)迭代的產(chǎn)物。萬瓦激光設(shè)備由于激光切割速度更快、切割效果更優(yōu)（亮面切割），而且，目前使用空氣切割等新工藝，使得綜合運(yùn)營成本降低一半以上，此外，目前的激光器價(jià)格亦有明顯的下降，使得設(shè)備運(yùn)營的綜合性價(jià)比達(dá)到一個(gè)新的高度。據(jù)估計(jì)，預(yù)計(jì)未來五年國內(nèi)市場容量達(dá)到60億人民幣以上，全球市場超過140億人民幣。

976nm泵浦方案因?yàn)槠涔怆娹D(zhuǎn)化效率達(dá)到40%以上，相比于915nm泵浦的25-30%節(jié)能特性顯著。以976nm泵浦技術(shù)的10kW的激光器為例，976nm泵浦激光器一年將比其他技術(shù)路線省電近10萬元，整個(gè)壽命期的節(jié)能費(fèi)用接近甚至未來可能高于一臺(tái)10kW激光器的價(jià)格，競爭優(yōu)勢(shì)極為明顯。

976nm泵浦技術(shù)以更高光電轉(zhuǎn)化效率成為萬瓦光纖激光主流技術(shù)路線的趨勢(shì)越來越明顯，并將不斷推動(dòng)新一代萬瓦光纖激光器的技術(shù)升級(jí)、性價(jià)比的提升和加速在通用加工場景的應(yīng)用滲透。

最后，感謝GW的CEO丁建武博士和光學(xué)研發(fā)部張先明博士對(duì)于本文的指導(dǎo)和修訂，他們?cè)?76nm泵浦技術(shù)的多年研發(fā)經(jīng)驗(yàn)為本文提供寶貴的理論和實(shí)踐支持。