技術(shù)解讀：高亮度多模光纖激光器優(yōu)勢何在？

隨著(zhù)激光應用技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)加工、空間光通訊、光電對抗等諸多領(lǐng)域都需要使用高功率、高光束質(zhì)量的激光光源。一般來(lái)說(shuō)，光束質(zhì)量M2＜1.3稱(chēng)為單模激光，1.3＜M2＜2為準單模激光，M2＞2為多模激光。在多模激光里面，2＜M2＜4可以稱(chēng)之為高亮度多模激光器。高亮度多模激光器雖然屬于多模激光，但是它仍然保持了很多單模激光高亮度的特性，同時(shí)在成本控制、穩定性以及抑制非線(xiàn)性效應等等方面都比單?；驕蕟文＜す庖煤芏?，所以在某些應用領(lǐng)域呈現出無(wú)可替代的優(yōu)勢。

在技術(shù)方案實(shí)現上，由于單纖激光器的功率擴展存在理論極限，并且在實(shí)際開(kāi)發(fā)中遇到了模式不穩定、非線(xiàn)性效應等等困難，所以目前10kW以上高亮度光纖激光光源都是采用了多個(gè)光纖激光模塊光束合成的方式。光束合成分為相干合成和非相干合成兩大類(lèi)。在非相干合成領(lǐng)域，又分成功率合束器和光譜合束兩種方式。盡管相比光譜合束等其他新型合束方案，通過(guò)光纖功率合束器會(huì )帶來(lái)較多的光束質(zhì)量退化，但是它仍然是目前應用最早、技術(shù)最成熟、方案最簡(jiǎn)潔、運行最穩定的一種方式。

以功率合束器為核心技術(shù)的多模激光器最早報道是IPG公司，他們在2009年實(shí)現了10.5kW多模輸出并申請專(zhuān)利，在2013年推出了高達100kW多模工業(yè)化產(chǎn)品。我國的高功率光纖激光器起步較晚，但是近年來(lái)發(fā)展迅速。例如銳科于2017年啟動(dòng)30kW工業(yè)級光纖激光器國家重點(diǎn)項目，創(chuàng )鑫于2019年推出30kW工業(yè)級激光器?？梢哉f(shuō)短短幾年內，10-15 kW功率合束多模激光器已經(jīng)成為國內各個(gè)光纖激光器廠(chǎng)商的標配。盡管目前多模高功率激光器在工業(yè)領(lǐng)域的運用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，但是市場(chǎng)上大多數6 - 10kW量級工業(yè)多模激光器的光束質(zhì)量因子 M2≈ 10 - 11 。

與眾不同，湖南大科激光有限公司近年推出了高亮度大功率多模光纖激光器，引領(lǐng)了多模光纖激光器發(fā)展的潮流。以6kW和10kW光纖激光器為例，大科激光的高亮度多模激光產(chǎn)品參數如下表所示：

高亮度多模激光典型的光束質(zhì)量測試結果如下圖所示：

如何在一定的合束效率下，還能保持較高的光束質(zhì)量，對實(shí)現這種高亮度多模激光器顯然是非常關(guān)鍵的。對其核心器件——激光功率合束器的理論研究表明：三合一功率合束器輸出的光束質(zhì)量極限M2 ≈ 2.4 ，七合一功率合束器輸出的光束質(zhì)量極限M2 ≈ 3.5 。但是實(shí)際應用中很難實(shí)現理想的功率合束。大多數制造商往往片面的追求功率合束效率，而忽略了對光束質(zhì)量的控制。湖南大科成功推出M2≤4的高亮度多模激光器，不僅源于大科技術(shù)團隊對功率合束技術(shù)方面浸淫多年的深厚技術(shù)積累，還在于他們對核心器件以及整機設計秉承了以下理念：

1、 激光器合束方案采用三合一功率合束的方式。三合一方式輸出的光束M2理論極限值是最小的，相比七合一等其他合束方式，能夠輸出更好的光束質(zhì)量。

2、 采用了大科激光純單模激光模塊進(jìn)行合束。純單模激光模塊的光束質(zhì)量因子M2 ＜1.3 ，保證合束之后光束質(zhì)量接近理論極限值；

3、 用工匠精神研究每一個(gè)技術(shù)細節，例如實(shí)現了比較理想的光纖模場(chǎng)匹配，以及超低損耗異型光纖熔接等。

大科激光DK-YMM 6000多模連續光纖激光器

以厚板高反材料的切割為例，大科6kW高亮度多模激光器切割速度參數如下表所示：

從表中可以看出，與普通6kw多模激光器相比，湖南大科6kw高亮度多模激光器針對厚板高反材料切割有明顯的加工優(yōu)勢。例如切割黃銅的速度是普通多模6kw切割速度的二到三倍，有效提升了加工效率，能夠為客戶(hù)節約可觀(guān)的生產(chǎn)成本。

目前單模光纖激光器在厚板材料深熔焊，以及特種材料高速切割和焊接中存在功率明顯不足的問(wèn)題，若采用普通多模激光器則由于熱影響區域太大而影響切割、焊接的速度和質(zhì)量。湖南大科激光作為高亮度抗高反光纖激光器領(lǐng)跑者，推出高亮度多模激光器正是填補了這一空白區域，在各種常規厚板材料的切割或深熔焊、特種材料高速切割焊接以及遠程加工領(lǐng)域展現出較大優(yōu)勢和良好前景。