詳解近單模1000W MOPA光纖激光器

 西安國盛激光     |      2022-05-30

  

  1、行業(yè)背景介紹

  市場研究公司Optech Consulting的一項最新調(diào)研報告顯示,去年全球工業(yè)激光系統(tǒng)市場顯示出強勁的增長勢頭?;?021年前三個季度的初步數(shù)據(jù)顯示,全球工業(yè)激光系統(tǒng)市場規(guī)模達到213億美元,創(chuàng)下歷史新高,較2020年增長了22%。工業(yè)激光源市場在過去一年也創(chuàng)下了52億美元的新紀錄,光纖激光器占比超過50%,而美國IPG 作為光纖激光器的龍頭企業(yè),占據(jù)光纖激光器近五成份額。




  高功率脈沖光纖激光器,具有穩(wěn)定可靠,性價比高,高功率高效率,優(yōu)異的光束質(zhì)量等特性,已廣泛應(yīng)用于新能源行業(yè),裝備制造業(yè),3C行業(yè),精密加工行業(yè),激光清洗等領(lǐng)域。

  根據(jù)種子源特性的不同,納秒脈沖光纖激光器一般分為調(diào)Q脈沖光纖激光器和MOPA 脈沖光纖激光器。工業(yè)用高功率脈沖光纖激光器一般采用MOPA結(jié)構(gòu),包括主動調(diào)Q脈沖光纖激光器/電調(diào)制的半導(dǎo)體光纖激光器以及若干級光纖放大器實現(xiàn)高功率脈沖激光輸出。

  目前比較成熟的技術(shù)是采用MOPA(主振動功率放大)技術(shù)來實現(xiàn),MO(Master Oscillator)就是主振動器,其實就是一個功率很小激光器,一般可選用波長合適(如1064nm)的Laser Diode 。小功率LD很容易通過驅(qū)動電流來直接調(diào)制輸出參數(shù),如重復(fù)頻率、脈寬、脈沖波形以及功率大小,通過尾纖把光脈沖信號串聯(lián)進PA(Power Amplifier)---光纖功率放大器進行光脈沖放大。光纖放大器一般只用于光纖通訊,它的原理與光纖激光器相似,只不過撤掉了光纖兩端的光纖光柵而無法形成激光振動,只起信號放大作用。光纖放大器能嚴格按照MO耦合進來的種子源光進行原形放大,并基本保持種子激光波長、重復(fù)頻率、脈沖波形等參數(shù),所以脈沖激光器采用MOPA方式,經(jīng)過多級放大后,既可得到優(yōu)良的激光特性,又能大大提高輸出激光的亮度。

  相比調(diào)Q激光器,MOPA 激光器脈沖寬度可控,峰值功率可控,工作頻率范圍廣,穩(wěn)定可靠,更受應(yīng)用市場青睞。

  2、激光器行業(yè)現(xiàn)狀

  近幾年來我國激光制造行業(yè)呈現(xiàn)整體爆發(fā)的態(tài)勢,這背后離不開國產(chǎn)光纖激光器制造廠商的迅速成長。而進口光纖激光器高昂的售價一直是激光設(shè)備無法在更多應(yīng)用領(lǐng)域獲得更大規(guī)模應(yīng)用的主要發(fā)展障礙,從這一點上講,國產(chǎn)光纖激光器制造廠商不斷向市場推出物美價廉的產(chǎn)品,承載著國內(nèi)甚至全球激光裝備和應(yīng)用市場持續(xù)高速發(fā)展的重要歷史使命。連續(xù)激光器已得到較大的發(fā)展,中低功率激光器,已基本被國內(nèi)廠商占據(jù),最高輸出功率可以達到10萬瓦(銳科2021年推出)。

  超高功率脈沖光纖激光器市場,目前主要由IPG 壟斷。超過250W 以上脈沖光纖激光器,IPG 市場占比90%以上,目前主要應(yīng)用在鋰電池薄片切割,太陽電池片加工,激光清洗等行業(yè)上。國內(nèi)廠商,處于明顯劣勢。近單模的MOPA 激光器,目前國內(nèi)最高功率約500W。而IPG 同類激光器輸出功率超過5000W,但對國內(nèi)最高只能銷售500W MOPA。超高功率脈沖光纖激光器近年發(fā)展迅速,國內(nèi)廠商正在努力追趕,公大激光最近推出了近單模1000W MOPA脈沖光纖激光器。

  3、公大激光高功率激光器介紹

  深圳公大激光有限公司,2019年12月成立于世界先進制造之都深圳。公大激光主要從事“先進短波長光纖激光器"和“激光精密加工解決方案”的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售,是一家專注于中高功率短波長(綠光和紫外)全光纖激光器的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用方案的激光器公司。公司創(chuàng)始團隊擁有十六年光纖激光器研發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗,開發(fā)過多種類型高功率光纖激光器,能為本土與國際激光設(shè)備廠商提供性能優(yōu)越的激光器解決方案。目前主要產(chǎn)品有50-500W高功率綠光激光器,100-1000W MOPA 脈沖光纖激光器,以及100-2000W 窄線寬連續(xù)光纖激光器。下面重點介紹,最新推出的1000W MOPA 脈沖光纖激光器。

  4、1000W MOPA 激光器輸出特性

  (1)輸出模式表




  (2)輸出脈沖波形



  輸出脈沖波形 10-500ns 滿功率輸出


  脈沖穩(wěn)定性測試-500ns 670KHz 1052W


  (3)輸出光譜圖 (10-500ns)



  輸出光譜10-500ns 滿功率輸出


  (4)輸出功率曲線

  a.輸出功率曲線:




  b. 輸出功率穩(wěn)定性測試(38小時)



  38小時功率穩(wěn)定性測試


  (5)光束質(zhì)量測試報告



  輸出光束質(zhì)量及光斑能量分布


  5、1000W MOPA 激光器應(yīng)用初步測試

  為了粗略測試1000W MOPA激光器,基本性能,我們進行了對比實驗。實驗配置F160焦距的場鏡,在鋁材上進行一分鐘的15mm*15mm面積深雕,分別使用公大激光的300W 、500W 和 1000W MOPA 進行對比測試。分別測試了,采用正焦深雕和Z軸同步移動兩種方式,測試結(jié)果見下:



  Fig 1. 起始正焦深雕--Z軸不移動



  Fig 2. Z軸勻速移動,基本保證正焦深雕


  測試激光器基本參數(shù)對比:



  注:上述激光器最大單脈沖能量為2mJ , 但最高深雕效率為1.5mJ 左右,因此使用1.5mJ 的參數(shù)進行深雕對比實驗。


  從數(shù)據(jù)上看,不使用Z軸進行焦距矯正時,深雕的效率明顯低于采用Z軸矯正焦距的深雕效率。主要原因為,離焦后聚焦光斑變大,能量密度下降,導(dǎo)致深雕效率下降。1000W MOPA 鋁材深雕效率明顯高于500W 和300W MOPA,見圖片測量數(shù)據(jù)。注:本次實驗僅測試效率,未考慮深雕后,基材低紋情況。

  6、行業(yè)前景分析

  1000W MOPA 脈沖光纖激光器樣機已初步完成,測試各項參數(shù)指標基本正常,后續(xù)考慮送樣給有相關(guān)需求的客戶進行更多的應(yīng)用效果測試。

  相對目前國內(nèi)設(shè)備廠商大批量使用的IPG 250 MOPA 激光器,1000W MOPA 具有更高的平均功率,更高重復(fù)頻率,有望在鋰電池行業(yè)、太陽能光伏行業(yè)及激光清洗等行業(yè)應(yīng)用提速增效,為我國先進制造添薪加柴。

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