7月17日，在眾多嘉賓的見證下，創(chuàng)鑫激光160kW超高功率光纖激光器正式發(fā)布，為國產(chǎn)超高功率光纖激光器陣營再添一名“強將”。

▲嘉賓觀看160kW實切

多模160kW超高功率光纖激光器代表了當前連續(xù)高功率光纖激光器的最高水平，具備功率大、亮度高、集成度高、可靠性高等諸多優(yōu)點。盡管研發(fā)初期面臨著種種困難與挑戰(zhàn)，但在創(chuàng)鑫激光研發(fā)團隊的不懈努力下都取得了實質(zhì)性的突破與創(chuàng)新。

今天，就給大家一一揭曉這臺設(shè)備背后所凝聚的創(chuàng)鑫研發(fā)智慧結(jié)晶與技術(shù)。

挑戰(zhàn)1——高功率子模塊亮度如何提高？

多波長耦合和三包層光纖創(chuàng)新匹配

如何提升高功率子模塊亮度是創(chuàng)鑫研發(fā)團隊面臨的其中一個重要挑戰(zhàn)，也是提升整機光束質(zhì)量的關(guān)鍵點。采用50或者100μm的光纖，很難實現(xiàn)超高功率的高亮度。這就好比使用大水管進行合束，最終水管管徑難以實現(xiàn)小型化，導(dǎo)致亮度上不去。

為解決這個問題，研發(fā)團隊采用了具有創(chuàng)新性的34μm芯徑三包層有源光纖和135μm纖芯的高亮度泵源，并設(shè)計了振蕩-放大兩級光學方案。通過多波長耦合技術(shù)，這些高亮度泵源光經(jīng)過合束后與三包層光纖匹配，從而實現(xiàn)了34μm光纖輸出。研發(fā)團隊最終研制出10kW高功率高亮度子模塊，實現(xiàn)光束質(zhì)量BPP＜1.0mm·mrad，拉曼抑制比＞45dB。

▲160kW切割400mm碳鋼

由于創(chuàng)鑫獨家專利的三包層光纖相比普通雙包層光纖增加了一層石英材質(zhì)的特殊反射面，其可以反射90%的泵浦光，最高耐受溫度達1000℃，能承受萬瓦以上泵浦光，光能量承載力更大，更好地確保小芯徑高能量輸出的穩(wěn)定性；同時通過優(yōu)化纖芯及波導(dǎo)設(shè)計使得激光光場分布更加合理，并能有效抑制拉曼效應(yīng)。

多波長耦合和三包層光纖的創(chuàng)新匹配設(shè)計，大幅提升了子模塊的亮度，克服了常規(guī)激光器在100μm或50μm輸出時的亮度不足問題，為160kW的合束奠定了優(yōu)異的器件基礎(chǔ)，顯著提高了整體系統(tǒng)的光束質(zhì)量。

挑戰(zhàn)2——非線性效應(yīng)如何解決？

器件層分立式優(yōu)化

計算層分布式抑制

160kW激光能量密度高，控制拉曼效應(yīng)是重大技術(shù)門檻。因為非線性效應(yīng)會嚴重限制激光器輸出功率和穩(wěn)定性提升、劣化激光光束質(zhì)量。

針對高功率光纖激光器中常見的非線性效應(yīng)問題，研發(fā)團隊在種子級、放大級和能量合束模塊分別采取了多種針對性控制措施。在種子級，通過精確調(diào)整光纖長度、選擇合適的泵浦方式和引入抗拉曼傾斜光柵，抑制了非線性效應(yīng)。在放大級，通過優(yōu)化增益光纖的折射率分布和設(shè)計增益光纖的纖芯直徑與包層結(jié)構(gòu)，提升了光纖的功率承載能力。在能量合束模塊，通過傳輸光纖設(shè)計，降低光纖中的功率密度，減少了長距離傳輸中的拉曼光放大問題。

從數(shù)據(jù)上看，創(chuàng)鑫160kW 拉曼輸出水平可達42dB，子模塊拉曼抑制比控制在50dB。通過多層次的優(yōu)化和控制措施，有效抑制了受激拉曼散射效應(yīng)，提高了高功率光纖激光器的穩(wěn)定性和光束質(zhì)量。

挑戰(zhàn)3——核心器件承受力如何提升？

高功率剝模器技術(shù)

在160kW超高功率光纖激光器的研發(fā)中，核心無源器件如能量合束器、包層光剝離器和傳輸光纖的承受功率問題至關(guān)重要。

研發(fā)團隊通過嚴格控制輸入支路子模塊的光束質(zhì)量、提前剝離包層光、使用低折射率材料和高溫材料封裝，優(yōu)化能量合束器的光束質(zhì)量和散熱性能。包層光剝離器采用分段剝離和水冷封裝散熱的方式，傳輸光纖通過強制冷卻和增大石英頭控制光纜溫度和端面功率密度。

▲160kW切割文字

（材質(zhì)：不銹鋼，厚度：100mm，高：近1米）

通過多項創(chuàng)新措施和材料應(yīng)用，160kW大幅提升了能量合束器的合束效率和耐高溫能力，顯著提高了核心無源器件在高功率運行下的可靠性。包層光剝離器的熱管理能力和傳輸光纖的功率承受能力也得到顯著提升，為設(shè)備的穩(wěn)定運行提供了堅實的技術(shù)支撐。

挑戰(zhàn)4——如何高效熱管理？

構(gòu)建熱管理平臺+一體化LOE

在超高功率激光器中，熱量處理是確保系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。

160kW通過設(shè)計模塊多路水道增加水冷板的散熱能力，使用高導(dǎo)熱膠水和風冷技術(shù)，結(jié)合空調(diào)控制激光器內(nèi)部溫度，形成了高效的熱管理系統(tǒng)。通過數(shù)值計算和傳熱仿真聯(lián)合計算的方法，對散熱結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，確保了光纖系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

此外，160kW配備的是創(chuàng)鑫激光自主研發(fā)的一體化LOE，采用的雙重水冷設(shè)計，可實現(xiàn)一體內(nèi)腔多水道冷卻，散熱效率提升大于50%。加之，其采用的高等級材料結(jié)合超光滑冷加工、鍍膜工藝，實現(xiàn)了超高損傷閾值，確保160kW穩(wěn)定輸出。

▲160kW切割400mm碳鋼

▲160kW切割100mm不銹鋼

這些技術(shù)亮點和突破不僅解決了160kW超高功率光纖激光器研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)難題，確保了產(chǎn)品的技術(shù)先進性，使其在國際激光器市場中處于領(lǐng)先地位，還為未來超高功率激光器的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗和技術(shù)積累。

目前，160kW超高功率光纖激光器已申請發(fā)明專利31件，已授權(quán)18件，獲軟件著作權(quán)登記4項，且在權(quán)威檢測機構(gòu)國家激光器件質(zhì)量檢測中心的嚴格檢測下取得了全激光參數(shù)CNAS檢測認證，并在眾多行業(yè)專家的嚴格審查下獲得了《科學技術(shù)成果》權(quán)威認證，其穩(wěn)定的產(chǎn)品性能及高質(zhì)高效的加工能力必將在船舶制造、大型鋼構(gòu)件等加工領(lǐng)域獲得應(yīng)用，取得顯著的社會和經(jīng)濟效益。

文章來源：創(chuàng)鑫激光

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