【摘要：976nm泵浦光纖激光器因其高性能使一直是定向能激光應用首選，以美國為(wei) 代表的各國近三十年幾十億(yi) 美元的投入也極大推動了光纖激光技術的高速發展和工業(ye) 應用的普及，但是國內(nei) 光纖激光器產(chan) 業(ye) 由於(yu) 曆史原因一直沒有解決(jue) 基於(yu) 976nm泵浦的光纖激光器大規模工業(ye) 應用的穩定性和可靠性問題。美國IPG以獨有的分布式側(ce) 麵泵浦技術，充分發揮基於(yu) 976nm泵浦的光纖激光器的低成本、高光電轉化效率高、高能量密度等獨特優(you) 勢引領了高功率光纖激光器的大規模工業(ye) 化應用。GW專(zhuan) 注976nm軍(jun) 工技術，攻克多項技術難題，在國內(nei) 帥先實現基於(yu) 976nm泵浦技術的光纖激光器的大規模工業(ye) 應用，突破國外廠商的技術壟斷，實現國內(nei) 976nm軍(jun) 工技術的初步產(chan) 業(ye) 化。目前976nm泵浦技術以更高光電轉化效率成為(wei) 萬(wan) 瓦光纖激光主流技術路線的趨勢越來越明顯，並將不斷推動新一代萬(wan) 瓦光纖激光器的技術升級、性價(jia) 比的提升和加速在通用加工場景的應用滲透。】

1、976nm泵浦技術研究首先在軍工領域展開

光纖激光器在20世紀90年代開始高速發展，由於(yu) 976nm泵浦的波長吸收率高，其激光器的電光轉化效率、體(ti) 積、能量密度以及光束質量等參數更為(wei) 優(you) 異，故自976nm泵浦技術出現以來，一直是國外及國內(nei) 機構和研究單位研究和小規模特種使用的主要方向。976nm泵浦技術光纖激光器天然的高電光轉換效率和單模態輸出能力，贏得了軍(jun) 工領域的重點關(guan) 注，使得軍(jun) 方在高亮度976nm泵浦二極體(ti) 及高功率單模光纖激光器等方向投入數十億(yi) 美元進行開發。軍(jun) 工的大規模投入推動光纖激光器技術升級和產(chan) 品迭代，單模光纖激光器的輸出功率從(cong) 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年陸續推出基於(yu) 976nm泵浦技術的1kW單模組高亮度光纖激光器和4kW多模組光纖激光器。

2、976nm泵浦技術瓶頸曾限製其大規模應用

976nm吸收峰較窄，如上圖所示，泵浦源的輸出波長與(yu) 溫度有關(guan) ，溫度敏感係數約為(wei) 0.3nm/℃，吸收率會(hui) 隨著波長的漂移產(chan) 生巨大的變化，體(ti) 現為(wei) 溫度變化對性能的影響較大，工業(ye) 使用環境複雜，整機魯棒性要求高，則對激光器的冷卻和溫控要求高，因此976nm泵浦技術的溫度敏感性問題一直是工業(ye) 大規模應用的瓶頸。相反，915nm吸收峰的寬度則遠大於(yu) 976nm吸收峰，吸收峰的特征也決(jue) 定了工業(ye) 激光器一度采用915nm泵浦而非976nm作為(wei) 泵浦源作為(wei) 技術路線。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(ye) 環境長期使用下整機性能較為(wei) 穩定可靠，在未突破976nm泵浦技術在工業(ye) 上大規模應用之前，915nm泵浦技術路線是工業(ye) 化大規模生產(chan) 可靠的技術實現路線。

為(wei) 了解決(jue) 976nm泵浦技術的溫度敏感性問題，一方麵通過設計來提高冷卻係統的散熱效果，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實現了較高效率的冷卻係統，使得在一定條件下，可以小批量的穩定使用，但是微通道技術對冷卻水要求高、水流量高，同時長期使用微通道容易結垢而需要定期清理，因此，在工業(ye) 苛刻的服役環境中使得推廣受到限製。另外一方麵，研究表明，通過設計波長穩定的技術，即使用VBG的體(ti) 光柵可以使得泵浦二級體(ti) 在線偏移方麵有著較大的提高，可以在5-10℃的範圍內(nei) 穩定工作，因此直至現在，在軍(jun) 工等特種應用一直使用帶VBG的鎖波長泵浦二級體(ti) 。但是由於(yu) VBG鎖波長泵浦二級體(ti) 采購成本高，同時帶來2-5%的電光轉化效率的下降，此外，高功率泵浦的芯片發光點數量眾(zhong) 多，每一個(ge) 芯片發光點需要一個(ge) VBG，同時需要保證同一個(ge) 波長頻率，實現技術難度和成本都較高，僅(jin) 在小規模特殊應用上使用，無法實現工業(ye) 化大規模的生產(chan) 。

3、976nm技術路線獨特優勢

由於(yu) 976nm泵浦技術具備其工業(ye) 大規模量產(chan) 的獨特優(you) 勢，使得國內(nei) 外光纖激光器製造商一直在976nm泵浦技術的工業(ye) 化應用進行持續應用探索：

（1）用料更少

目前降低激光器成本的先進技術主要有泵浦效率更高的976nm技術方案，976nm更高泵浦效率及更短光纖。

976nm比915nm泵浦的光電轉化效率提高33.33%以上（從(cong) 25-30%提高至40%以上）；12kW的976nm比915nm產(chan) 品成本低10%左右。

（2）運行成本更低

976nm泵浦方案因為(wei) 其光電轉化效率達到40%以上，相比於(yu) 915nm泵浦的25-30%節能特性顯著。以IPG的976nm泵浦技術的12kW的激光器為(wei) 例，976nm泵浦激光器一年將比其他技術路線省電13.44萬(wan) 元，整個(ge) 壽命期的節能費用接近甚至未來可能高於(yu) 一台12kW激光器的價(jia) 格，競爭(zheng) 優(you) 勢極為(wei) 明顯。

【IPG官網】

（3）能量密度更高（高亮度）

單腔單模3000W實現20um光纜輸出，M2（光束質量）小於(yu) 1.3，能量密度達到240萬(wan) 瓦/平方毫米，目前是工業(ye) 用光纖激光器的物理極限，而實現此能量密度正是基於(yu) 976nm泵浦技術方案。

對於(yu) 高端應用（動力電池焊接等精密焊接）的激光焊接對激光器的能量密度要求較高，目前動力電池領域的激光焊接主要基於(yu) 976nm泵浦技術的光纖激光器。從(cong) 公開資料來看，聯贏激光、先導智能等行業(ye) 知名企業(ye) 主要應用的為(wei) 基於(yu) 976nm泵浦技術的高亮度激光器，目前國際上主要為(wei) IPG，國內(nei) 開始使用GW。此外，極限光束質量亦是軍(jun) 工應用要求的性能指標，目前976nm泵浦激光器依舊是激光定向能武器的首選光源。

4、IPG-976nm泵浦技術工業大規模應用開拓者

IPG獨有的分布式側(ce) 麵泵浦技術，目前有超過十萬(wan) 台激光器在全球範圍運行；

a)核心技術之側(ce) 向泵浦雙包層技術：

多個(ge) 泵浦二極管發出的光被高效地耦合進入有源增益光纖的包層，泵浦光在包層中進行多次反射，同時不斷穿過單模纖芯，在纖芯中泵浦被Yb離子吸收和再發射。

b)核心技術之單芯結技術：

二極管多點耦合入有源光纖，無限製攝入光子，光纖端麵無熱點，分布式發射，長距離吸收-高效泵浦吸收。

IPG利用其獨特的單管技術，具有輸出密度低、低熱負載、最簡單的被動式冷卻設計、半導體(ti) 在熱、電兩(liang) 端均為(wei) 獨立等熱管理的優(you) 點，結合側(ce) 向泵浦雙包層技術，可以將單管從(cong) 有源光纖的多點耦合，數量上幾乎沒有限製（端麵泵浦路線耦合進入泵浦合束器的數量有限，一般工業(ye) 應用單臂不超過10個(ge) 泵浦源，從(cong) 而需要高功率的泵浦源（300W以上），才能輸出高功率的單腔單模激光器），解決(jue) 了溫度敏感性問題同時實現了高功率的輸出（萬(wan) 瓦級），此外IPG擁有成熟的波長一致性較好的976nm泵浦源生產(chan) 線及相關(guan) 的殘餘(yu) 光剝除技術，解決(jue) 了泵浦源良率及激光器開機時有源光纖熱不平衡問題。目前IPG是業(ye) 內(nei) 首家完全掌握976nm泵浦技術並且進行大規模工業(ye) 化使用的光纖激光器製造商。

Rofin在976nm泵浦技術上緊跟其後，其利用德國Dilas 泵浦二級體(ti) 的mini-bar，使得其中心波長和線寬更加穩定，但因種種原因最終未廣泛在工業(ye) 大規模生產(chan) 中應用。

5、GW-中國976nm大規模工業應用引領者

GW Laser Technology LLC 於(yu) 2014年9月在美國康涅狄格州成立，2015年11月於(yu) 中國上海設立製造基地，主要致力於(yu) 976nm泵浦技術產(chan) 業(ye) 化落地，GW經過多年努力初步實現976nm工業(ye) 化的規模應用，並在下麵幾個(ge) 方麵進行了技術的突破及優(you) 化：

（1）泵浦的選型

GW從(cong) 976nm芯片著手，重新定義(yi) 和定製了適合大規模工業(ye) 生產(chan) 應用的976nm泵浦源。

（2）芯片和冷水板敏感性設計

參與(yu) 泵浦源的芯片的基底熱襯、結構設計等來優(you) 化多-單管封裝技術，提高散熱性能，同步結合直接水冷方式、流量參數、冷卻劑等，保證各項關(guan) 鍵指標穩定，目前GW創造性的解決(jue) 了976nm泵浦的冷卻問題，並且在國際國內(nei) 機構申請了相關(guan) 專(zhuan) 利。

（3）結構設計及熔接點熱管理

通過充分的熱管理模擬和實驗結果，創新性的設計水冷通道和冷卻板，確保冷卻係統溫差不影響其輸出性能。976nm波長吸收率高，熔接點能量密度高，GW采用獨特的熔接點熱管理技術，攻克了高功率的熱平衡技術難題。

（4）殘餘光的處理

976nm泵浦技術中，殘餘(yu) 光處理是其保持光纖熱穩定的核心工藝，GW通過獨特殘餘(yu) 光處理技術解決(jue) 器件損傷(shang) 問題，確保高功率激光器的穩定性，並申請了相關(guan) 專(zhuan) 利。

（5）全局優化設計改善激光輸出特性

通過全局優(you) 化振蕩器設計、綜合熱管理技術、光柵反射特性等，抑製模式不穩定性效應、非線性效應，實現高功率高穩定性單腔單模的激光輸出。

截至目前，GW已經成功推出基於(yu) 976nm技術的500W-3kW工業(ye) 用單腔單模激光器及4-20kW工業(ye) 用多模光纖激光器，數千台的工業(ye) 用戶的批量使用已經初步驗證了976nm技術完全可以滿足工業(ye) 應用更嚴(yan) 格的可靠性要求，目前已經基本完成供應鏈的國產(chan) 化，為(wei) 976nm技術在國內(nei) 的持續產(chan) 業(ye) 化奠定了基礎。

6、未來已來，大勢所趨-基於976nm泵浦技術的萬瓦激光器

光纖激光隨著性能效率的不斷提高，成本的不斷降低，不斷打開傳(chuan) 統加工行業(ye) 的性價(jia) 比瓶頸，不斷拓展行業(ye) 應用的深度和廣度，未來有望作為(wei) 大規模生產(chan) 製造通用化工具。目前整個(ge) 工業(ye) 呈現技術指數化的迭代方式，遵循摩爾定律，性能及效率不斷提高，價(jia) 格不斷降低，而萬(wan) 瓦激光器正是技術在摩爾定律下升級迭代的產(chan) 物。萬(wan) 瓦激光設備由於(yu) 激光切割速度更快、切割效果更優(you) （亮麵切割），而且，目前使用空氣切割等新工藝，使得綜合運營成本降低一半以上，此外，目前的激光器價(jia) 格亦有明顯的下降，使得設備運營的綜合性價(jia) 比達到一個(ge) 新的高度。據估計，預計未來五年國內(nei) 市場容量達到60億(yi) 人民幣以上，全球市場超過140億(yi) 人民幣。

976nm泵浦方案因為(wei) 其光電轉化效率達到40%以上，相比於(yu) 915nm泵浦的25-30%節能特性顯著。以976nm泵浦技術的10kW的激光器為(wei) 例，976nm泵浦激光器一年將比其他技術路線省電近10萬(wan) 元，整個(ge) 壽命期的節能費用接近甚至未來可能高於(yu) 一台10kW激光器的價(jia) 格，競爭(zheng) 優(you) 勢極為(wei) 明顯。

976nm泵浦技術以更高光電轉化效率成為(wei) 萬(wan) 瓦光纖激光主流技術路線的趨勢越來越明顯，並將不斷推動新一代萬(wan) 瓦光纖激光器的技術升級、性價(jia) 比的提升和加速在通用加工場景的應用滲透。

最後，感謝GW的CEO丁建武博士和光學研發部張先明博士對於(yu) 本文的指導和修訂，他們(men) 在976nm泵浦技術的多年研發經驗為(wei) 本文提供寶貴的理論和實踐支持。