一文簡述976nm泵浦技術(shù)的前生今世

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)率先實(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)路線的趨勢越來越明顯，并將不斷推動新一代萬瓦光纖激光器的技術(shù)升級、性價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)模投入推動光纖激光器技術(shù)升級和產(chǎn)品迭代，單模光纖激光器的輸出功率從1994年公開報道的不到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，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／℃，吸收率會隨著波長的漂移產(chǎn)生巨大的變化，體現(xiàn)為溫度變化對性能的影響較大，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)計來提高冷卻系統(tǒng)的散熱效果，通過理論計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)對冷卻水要求高、水流量高，同時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的鎖波長泵浦二級體。但是由于VBG鎖波長泵浦二級體采購成本高，同時帶來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，每一個芯片發(fā)光點(diǎn)需要一個VBG，同時需要保證同一個波長頻率，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)。

審核編輯 黃昊宇