解读同带泵浦技术:超大功率光纤激光器的必选路线

光纤激光器结构紧凑、电光效率高,一个重要的原因是采用半导体激光器作为泵浦源。半导体激光器采用PN结作为发光光源,电泵浦直接出光,电光效率在50%左右。目前单芯片出光功率已经突破30W,采用空间合成、偏振合成和光谱合成等多种方式进一步提升功率至数百瓦。合成之后的半导体激光通过透镜耦合进入输出尾纤,并经合束器进入增益光纤。



目前掺镱光纤激光器主要的泵浦波长有三种,即915nm、976nm和1018nm,其中前两种主要在工业产品中使用,最后一种目前主要用于超高单纤功率科研产品中。掺镱光纤激光器的泵浦波长的选择主要是由掺镱光纤(YDF)的吸收发射谱所决定的,如图1所示。

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图1 掺镱光纤吸收发射谱

可见,YDF在915nm附近和976nm附近各有一个吸收峰,其中915nm的吸收峰的吸收截面为976nm吸收峰的1/3,而915nm吸收峰的宽度则远大于976nm吸收峰。吸收峰的特征也决定了为何早期工业激光器绝大部分采用915nm而非976nm作为泵浦源。近年来,随着976nm芯片和封装技术的日渐成熟,基于976nm泵浦的激光器效率更高,成本更低,976nm泵浦技术在工业领域也逐渐开始大规模应用。
      
随着激光器功率的不断提升,常规的半导体泵浦亮度已经很难满足要求超高功率单纤输出的要求,IPG最早提出了基于1018nm级联泵浦方案,并基于此方案实现了单纤20kW的功率输出,如图2所示。1018nm级联泵浦的基本思路是,先利用976nm的半导体激光泵浦产生1018nm激光,将激光亮度提升数个量级,然后再将1018nm激光进行合束,并用于泵浦1080nm的激光,单纤激光器功率提升的泵浦亮度限制被打开。


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图2 基于1018nm级联泵浦的IPG单纤单模10kW激光器

1018nm的光纤激光器作为高亮度泵浦源优势明显,但是这种波长位于掺镱光纤的吸收谱的边缘,吸收系数仅相当于976nm的峰值吸收系数的1/18。并且,1018nm的激光器产生过程极易发生自激现象,出现不稳定的1030nm光谱,从而导致激光器发生破坏。为了抑制激光器不稳定的自激效应,光至科技基于理论设计和工程优化完成了子束350W,合成超过6500W的1018nm激光器输出。

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图3 1018nm 6500W激光器输出功率

子束采用转换效率最高的20/130光纤体系,实现单模块350W高功率高亮度输出。采用19*1信号合束器,极高的合成效率实现大于6500W功率输出,且输出光纤为135/155/NA0.22规格,适合作为单纤20kW甚至30kW的激光器泵浦源。
       
光纤激光器的功率提升之路还在持续,适用的工作场景越来越多,工程化程度也越来越高,市场前景广阔,大有可为。这些成果的取得一方面得益于我国在高功率光纤激光器领域研发的持续大量的投入,突破了关键材料、器件和系统的核心技术,培养了一批专业人才,另一方面得益于近年来光纤激光器在工业领域的大规模应用,使得整个产业链更为完整,规模化优势逐渐显现。




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