近年來,工業(yè)光纖激光器市場發(fā)展迅猛,勢頭強勁。 國內(nèi)中低功率光纖激光器市場競爭激烈,國產(chǎn)化替代日漸深入,已全面進(jìn)入價格競爭階段,控制成本成為光纖激光器廠商參與市場競爭的重要手段。高功率光纖 激光器市場需求迫切,市場缺口龐大,但其非線性效應(yīng)抑制 等難度較高、光纖激光器廠商正尋求新的解決方案。
隨著工業(yè)光纖激光器對泵浦源的溫度控制技術(shù)的成熟, 976nm 波段泵浦源在工業(yè)光纖激光器上的應(yīng)用逐漸被市場認(rèn)可接受。光纖激光器增益光纖對 976nm 波段泵源具有較高的吸收效率,能夠有效降低工業(yè)光纖激光器的制造成本與泵浦技術(shù)難度,不少技術(shù)領(lǐng)先的光纖激光器廠商紛紛將技術(shù)方案聚焦到 976nm 波段泵浦方案,以期盡快取得更大的市場優(yōu)勢。
相對 915nm 泵浦,976nm 泵浦的應(yīng)用優(yōu)勢
工業(yè)光纖激光器通過增益光纖(摻鐿光纖)實現(xiàn)從泵浦光到信號光的能量轉(zhuǎn)換。摻鐿光纖在 915nm 和 976nm 波段存在兩個明顯的特征吸收峰,915nm波段吸收系數(shù)相對較低,吸收譜較寬;976nm 波段吸收系數(shù)是 915nm 波段的 2-3 倍(如圖 1),但吸收譜相對較窄。
915nm/976nm 泵浦激光器提供的泵浦光能量,分別與摻鐿光纖的吸收峰特征對應(yīng)。以往較多的光纖激光器廠商使用 915nm 波段泵浦方案,原因在于摻鐿光纖在 915nm 波段較寬的吸收峰,能夠冗余較寬的光纖激光器溫度控制范圍帶來的泵浦波長漂移,但 915nm 波段泵源較低的吸收系數(shù)帶來了成本與技術(shù)應(yīng)用上的雙重障礙,限制了光纖激光器高功率、 低成本的發(fā)展趨勢。
976nm 波段泵浦的光纖激光器,增益光纖對泵浦光的吸收系數(shù)更高。據(jù)國內(nèi)多家光纖激光器廠商實用反饋,976nm 波段泵浦的光光效率可達(dá)到 85%,而 915nm 波段泵浦的的光光效率為 75%(如圖 2)。在相同的泵浦功率注入下,與 915nm 波段泵浦相比,采用 976nm 波段泵浦方案,光纖激光器的輸出功率將高出 13%,且 976nm 波段泵浦需求的增益光纖長度更短,直接降低材料成本的同時,也有效降低了非線性效應(yīng),光光效率損失、熱管理難度。但 976nm 泵浦對光纖激光器溫度控制的要求更高。
976nm 泵源使用技術(shù)的日趨成熟
以往制約 976nm 泵浦源工業(yè)應(yīng)用的 原因主要還是增益光纖在 976nm 波段的吸收譜較窄;在工作環(huán)境溫度變化時, 泵浦源中心波長的漂移造成增益有源光纖吸收率大幅變化,容易導(dǎo)致光纖激光器整機輸出功率不穩(wěn)定。在熱管理技術(shù)不夠成熟的過去幾年,開發(fā)者多采用吸收峰較寬、但吸收效率更低的 915nm 波段,來降低環(huán)境溫度的影響。采用 976nm 泵源方案對激光器的熱管理設(shè)計有非常嚴(yán)格的要求,因此,在過去幾年 只有國外少數(shù)和國內(nèi)極少數(shù)光纖激光器 廠家在量產(chǎn)工業(yè)激光器中使用 976nm 泵源方案。
不同的是,近年來國內(nèi)光纖激光器廠家在熱管理技術(shù)方面逐漸成熟,工業(yè)水冷機進(jìn)行的強制水循環(huán)冷卻方式已經(jīng)完全滿足了光纖激光器對泵浦源溫度控制的要求。目前國內(nèi)已有多家光纖激光器制造商使用長光華芯的 976nm 泵源, 實現(xiàn)了中低光纖激光器的批量生產(chǎn)供 貨,高功率激光器的小批量生產(chǎn)供貨, 并在終端客戶處的表現(xiàn)良好。所以,目 前來看,使用 976nm 泵源方案已不存在技術(shù)上的應(yīng)用障礙。
976nm 泵源在中低功率光纖激光器上的成本優(yōu)勢體現(xiàn)
隨著國內(nèi)光纖激光器企業(yè)的技術(shù)發(fā) 展成熟,國產(chǎn)激光器市場占有率穩(wěn)步提升,尤其是中低功率光纖激光器,已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。隨著中低功率光纖激光器的產(chǎn)品同質(zhì)化日益嚴(yán)重,市場競爭日漸激烈。進(jìn)入 19 年以來,已經(jīng)全面進(jìn)入價格競爭階段,光纖激光器的成本面臨巨大的市場挑戰(zhàn),如何降低成本, 不少光纖激光器廠商將目標(biāo)投向 976nm 泵源。976nm 泵源較高的光光轉(zhuǎn)換效率可以有效降低泵源的成本代價。以 1500W 光纖激光器為例,976nm 泵源相比 915nm 泵源高出約 10% 電光效率, 將直接節(jié)約 235W 的泵浦源功率,大幅度節(jié)約光纖激光器制造成本的同時,也為光纖激光器的終端用戶節(jié)省了約 11% 的電力消耗費用,有效幫助中下游用戶建立起市場競爭優(yōu)勢。
源技術(shù)與成本的雙重優(yōu)勢
目前國內(nèi)高功率光纖激光器需求依然依賴進(jìn)口,市場供不應(yīng)求,面對巨大 的市場缺口,國內(nèi)不少技術(shù)領(lǐng)先光纖激光器廠商紛紛將目光投向高功率光纖激光器的研發(fā)生產(chǎn),并有不少有實力的廠家在技術(shù)上正不斷追趕甚至超越國際一流光纖激光器廠商。
借此,高功率光纖激光器的泵浦方案被重新評估。以往使用 915nm 波段的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源,受益于 915nm 波段較寬的吸收譜,激光器整機受溫度影響較小,但在 915nm 波段增益有源光纖的吸收效率低,為達(dá) 到整機光纖激光器更高功率的輸出, 在技術(shù)上要求使用更高的 915nm 泵浦功率和更長的有源光纖,這將導(dǎo)致開發(fā)者不得不面對增益光纖非線性效應(yīng)、 光光效率損失、熱管理難度增加、單位瓦數(shù)成本上升等諸多困難。當(dāng)輸出功率超過一定水平時,915nm 泵浦方案將變得極為復(fù)雜而最終失效。
使用 976nm 波段泵浦方案將很好的解決 915nm 波段泵浦方案的上述困難。增益光纖對 976nm 波段吸收 效率是 915nm 波段的 2-3 倍,更高的吸收效率,意味著需要的增益光纖更短,隨之帶來的非線性效應(yīng)降低等一系列的技術(shù)優(yōu)勢得以體現(xiàn),同樣也節(jié)約了部分增益光纖的材料成本,加之 光光效率帶來的成本優(yōu)勢(976nm 波段泵源比 915nm 泵源高約 10% 的光光效率),976nm 泵浦方案在高功率光纖激光器上的成本效益進(jìn)一步得以體現(xiàn)。
當(dāng)熱管理不再成為制約 976nm 波段泵浦方案的障礙,976nm 泵浦技術(shù) 的技術(shù)與成本雙重優(yōu)勢得以體現(xiàn)。
光纖激光器的理想泵浦源
自 2012 年成立以來,長光華芯一 直致力于半導(dǎo)體激光器的研發(fā)、生產(chǎn), 長光華芯 976nm 光纖耦合模塊,采用自主研發(fā)并實現(xiàn)量產(chǎn)的單管芯片,通過精密的光學(xué)封裝和嚴(yán)苛的工藝過程控制實現(xiàn)高亮度的輸出,滿足不同生產(chǎn)需求。 產(chǎn)品包括:
(1)135μm,976nm 光纖耦合模塊,最高輸出功率可達(dá) 180W;
(2)200μm,976nm 光纖耦合模塊,最高輸出功率可達(dá) 280W;
(3)帶 VBG 波長鎖定的 976nm 光纖耦合模塊,105μm 最高輸出功率可達(dá) 130W;主推的 976nm 三款光纖耦合模塊產(chǎn)品實際 NA 0.16(95% 能 量), 光譜寬度< 5nm,中心波長可以控制在 ±2nm,其中 VBG 光纖耦合模塊產(chǎn)品可實現(xiàn)波長鎖定在 ±0.5nm 范圍內(nèi)。
經(jīng)驗證,采用長光華芯 976nm 泵浦源的光纖激光器,光轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 85%,整機系統(tǒng)受環(huán)境溫度影響微弱, ±5℃范波動圍內(nèi)光纖激光器性能穩(wěn)定, 有效節(jié)省有源光纖,使光纖激光器單瓦成本更低是工業(yè)高功率光纖激光器和飛秒光纖激光器理想泵浦源。
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