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进可攻退可守——单纤输出 6 kW光纤激光器

光电汇OESHOW

2023-10-16

导读：优势明显

杨伟，刘江

浙江热刺激光技术有限公司

引言

相较于传统气体、固体激光器，光纤激光器优势明显，呈现出大范围取代传统激光器的趋势。从2018年开始，全球高功率光纤激光器行业规模便已占到了工业激光器50%以上份额，且保持稳定持续增长[1]。

得益于市场需求的快速增长，连续光纤激光器技术发展也十分迅速——从2000年第一台千瓦级光纤激光器出现，到2022年，国内外单根光纤输出功率均已经达到20 kW，多模输出功率均达到100 kW及以上[2]。

在2016年以前，全球主要的激光设备厂商都认为6 kW功率水平已经能够解决绝大部分的激光加工需求。但说不清是加工需求推动激光功率提升，还是激光功率提升推动了加工需求。2017年以后，业内厂商在光纤激光功率提升方面显现出争先恐后的态势。在该方面，国内也引领全球。

我们无法否认孜孜不倦推高光纤激光器输出功率，从而带来更高的加工效率，更丰富的应用场景的重大作用。如光纤激光器功率从6 kW提高到12 kW，就切割加工而言，速率几乎提高两倍，这确实带来不菲的经济价值。

但我们也必须看到，超过特定厚度金属材料（如40 mm）的激光加工，大部分出现在高端设备、大型构件等特殊应用场合。生活及工业中的绝大多数常见产品的加工，6 kW光纤激光器已经基本可以满足要求。当市场火热感退去，用户回归理性，超高功率光纤激光器市场增长将不及预期，反而是中高功率水平如6 kW光纤激光器会迎来快速增长。图1为切割设备上激光器功率发展趋势图。

图1 切割设备上激光器功率发展趋势[3]

如何更具前瞻性的将有限的资源投入到收益更大的方向成了所有光纤激光器厂商值得深思的问题。但国外龙头企业IPG最高功率产品达500 kW[4]，未来只会更高，可见其技术积累远超同行，我们仍需追赶。此时国内厂商如果安命于当下，而不再追求更高功率，无疑是自削根基。这时，需要一款进可攻，退可守的产品——进，作为超高功率输出的合束单元激光模块，用于非常规高端设备领域；退，作为单一主流产品，覆盖大多数常规应用。该产品在保证迎合未来市场发展的基础上，将极大节省投入，单根光纤输出6 kW功率的光纤激光器应运而生。

国内光纤激光器起步较晚，即便摸着国外这块“石头”过河，后发优势让我们极大缩短了技术差距，但因国内相关基础薄弱，无法对产品进行底层优化。虽然2016年就已经达到了单纤10 kW，但直到2017年，国内市场单纤激光器主流产品功率仍处于2 kW以下。更高功率产品仅为少数定制，且受限于受激拉曼散射（SRS）、横向模式不稳定（TMI）、光子暗化（PD）等物理效应，追赶超越之路，并不平坦。单纤6 kW光纤激光器更是直到2022年才看到产业化的曙光。

光纤激光系统原理介绍

根据激光原理，激光器主要由激励源、增益介质、谐振腔三要素组成。而光纤激光器，则是以掺杂了稀土元素的光纤（主流为石英基质）为增益介质的激光器（图 2），是在光纤激光放大器基础上开发出来的。

图2 光纤激光器原理示意图

高功率光纤激光系统的结构

实际应用中，能单纤实现高功率输出的光纤激光系统有两种，一种是光纤振荡器（严格意义上，光纤激光器主要指这种），一种是主振荡光纤功率放大器（MOPA）。具体如图3所示。

图3 光纤振荡器和主振荡功率放大器示意图

多纤输出，则指采用多路图3中的任意一种光纤激光系统，通过激光合束输出更高功率的激光发射系统。常规来说，工业领域里，单模块光纤激光器是单纤输出，多模块光纤激光器是多纤输出（图 4）。

图4 多纤输出光纤激光系统示意图

单纤输出高功率的技术难点

目前国内外大部分光纤激光器制造商均是采用多纤达到6 kW以上的功率。因为单纤输出超出一定功率范围后，需要面临几个难题。

（1）受激拉曼散射，其产生机理如图 5 所示。

图5 受激拉曼散射原理示意图

半经典解释为，频率为ωp的入射光与固定频率为ωv的介质相互作用，形成频率为ωs的斯克托斯光和频率为ωa的反斯塔托斯光。从而使能量从信号光转移至拉曼散射光，引起输出光功率及能量转换效率的下降。

SRS 表现出强烈的阈值特性，当纤芯中的激光能量密度超过阈值，即会迅速受激放大，由于SRS 产生的斯托克斯光为双向，当后向斯托克斯光功率达到一定值时，会增加激光系统中光学元器件的损毁风险，限制了激光系统功率的进一步提升[5]。

（2）横向模式不稳定（TMI）[6]，其表现形式如图6所示。

图6 横向模式不稳定示意图

当光纤激光中的抽运功率超过一定的阈值之后，输出激光由基模向高阶模式转化（动态或准静态），引起光束质量退化，同样会表现出功率滞涨现象。

（3）光子暗化（PD）[7]，表现形式如图7所示。

图7 光子暗化引起功率下降

其主要是指光纤激光系统在长时间工作后光纤芯层出现永久性损耗增加现象，从而出现输出功率下降、模式不稳定、转换效率降低和稳定性变差等现象。严重影响了光纤激光器的寿命。

上述三个因素限制了单根光纤输出高功率的上限。同时，在产品化过程中，还需要克服其他诸如供电控制、热管理等工程方面的问题。

单根光纤6 kW光纤激光器

为了克服影响功率增长的难题。光纤激光器科研工作者们做了大量工作。截至目前，国内单纤输出的光纤激光系统，采用主振荡功率放大的方式最高功率达到了 20 kW[8]，采用直接振荡的方式最高功率达到了8 kW。但均停留在实验室样机阶段。未能进行产业化。

指标实现

考虑到主振荡光纤功率放大系统在供电方式上偏复杂，尤其对种子和放大器的供电时序准确性要求极高，供电控制比较难；同时，其内部多出放大器部件，造成整机体积偏大，整体结构没有直接振荡的光纤激光器紧凑，因此单根光纤6 kW光纤激光器的最优选择即是采用直接振荡方案。具体实施方案如下：

采用915 nm波长半导体激光器泵浦技术，在保证泵浦光充分吸收和激光器效率的同时，提高了TMI阈值，兼顾产品对于制冷系统温度变化的适应性。增益光纤则采用大模场纤芯局部掺杂的方式以提高输出光束质量，同步提高激光器SRS阈值，制成了工业级6 kW准单模全光纤振荡器，能量传输光纤（芯径30 μm和50 μm）长度达到20 m。

激光器结构图8中，包括915 nm泵源、正向合束器、高反光栅、增益光纤（掺镱）、低反光栅、反向合束器、包层光剥除器和输出端帽。

所用光纤光栅对的中心波长为1080 nm，增益光纤的模场面积约为600 μm2。6 kW功率输出时的光谱如图9所示，未出现受激拉曼散射效应。