技術解讀:高亮度多模光纖雷射器優勢何在?

隨著雷射應用技術的發展，在工業加工、空間光通訊、光電對抗等諸多領域都需要使用高功率、高光束質量的雷射光源。一般來說，光束質量M2＜1.3稱為單模雷射，1.3＜M2＜2為準單模雷射，M2＞2為多模雷射。在多模雷射裡面，2＜M2＜4可以稱之為高亮度多模雷射器。高亮度多模雷射器雖然屬於多模雷射，但是它仍然保持了很多單模雷射高亮度的特性，同時在成本控制、穩定性以及抑制非線性效應等等方面都比單模或準單模雷射要好很多，所以在某些應用領域呈現出無可替代的優勢。

在技術方案實現上，由於單纖雷射器的功率擴展存在理論極限，並且在實際開發中遇到了模式不穩定、非線性效應等等困難，所以目前10kW以上高亮度光纖雷射光源都是採用了多個光纖雷射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。在非相干合成領域，又分成功率合束器和光譜合束兩種方式。儘管相比光譜合束等其他新型合束方案，通過光纖功率合束器會帶來較多的光束質量退化，但是它仍然是目前應用最早、技術最成熟、方案最簡潔、運行最穩定的一種方式。

以功率合束器為核心技術的多模雷射器最早報導是IPG公司，他們在2009年實現了10.5kW多模輸出並申請專利，在2013年推出了高達100kW多模工業化產品。我國的高功率光纖雷射器起步較晚，但是近年來發展迅速。例如銳科於2017年啟動30kW工業級光纖雷射器國家重點項目，創鑫於2019年推出30kW工業級雷射器。可以說短短幾年內，10－15kW功率合束多模雷射器已經成為國內各個光纖雷射器廠商的標配。儘管目前多模高功率雷射器在工業領域的運用已經越來越廣泛，但是市場上大多數6-10kW量級工業多模雷射器的光束質量因子 M2≈ 10-11 。

與眾不同，湖南大科雷射有限公司近年推出了高亮度大功率多模光纖雷射器，引領了多模光纖雷射器發展的潮流。以6kW和10kW光纖雷射器為例，大科雷射的高亮度多模雷射產品參數如下表所示：

大科雷射DK－YMM 6000多模連續光纖雷射器

高亮度多模雷射典型的光束質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量，對實現這種高亮度多模雷射器顯然是非常關鍵的。對其核心器件——雷射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量極限M2≈ 2.4 ，七合一功率合束器輸出的光束質量極限M2≈3.5。但是實際應用中很難實現理想的功率合束。大多數製造商往往片面的追求功率合束效率，而忽略了對光束質量的控制。湖南大科成功推出M2≤4的高亮度多模雷射器，不僅源於大科技術團隊對功率合束技術方面浸淫多年的深厚技術積累，還在於他們對核心器件以及整機設計秉承了以下理念：

1、 雷射器合束方案採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量。

2、 採用了大科雷射純單模雷射模塊進行合束。純單模雷射模塊的光束質量因子M2＜1.3，保證合束之後光束質量接近理論極限值；

3、 用工匠精神研究每一個技術細節，例如實現了比較理想的光纖模場匹配，以及超低損耗異型光纖熔接等。

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

從表中可以看出，與普通6kw多模雷射器相比，湖南大科6kw高亮度多模雷射器針對厚板高反材料切割有明顯的加工優勢。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，能夠為客戶節約可觀的生產成本。

目前單模光纖雷射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題，若採用普通多模雷射器則由於熱影響區域太大而影響切割、焊接的速度和質量。湖南大科雷射作為高亮度抗高反光纖雷射器領跑者，推出高亮度多模雷射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域展現出較大優勢和良好前景。