技术解读：高亮度多模光纤激光器优势何在？
随着激光应用技术的发展，在工业加工、空间光通讯、光电对抗等诸多领域都需要使用高功率、高光束质量的激光光源。一般来说，光束质量M2＜1.3称为单模激光，1.3＜M2＜2为准单模激光，M2＞2为多模激光。在多模激光里面，2＜M2＜4可以称之为高亮度多模激光器。高亮度多模激光器虽然属于多模激光，但是它仍然保持了很多单模激光高亮度的特性，同时在成本控制、稳定性以及抑制非线性效应等等方面都比单模或准单模激光要好很多，所以在某些应用领域呈现出无可替代的优势。
在技术方案实现上，由于单纤激光器的功率扩展存在理论极限，并且在实际开发中遇到了模式不稳定、非线性效应等等困难，所以目前10kW以上高亮度光纤激光光源都是采用了多个光纤激光模块光束合成的方式。光束合成分为相干合成和非相干合成两大类。在非相干合成领域，又分成功率合束器和光谱合束两种方式。尽管相比光谱合束等其他新型合束方案，通过光纤功率合束器会带来较多的光束质量退化，但是它仍然是目前应用最早、技术最成熟、方案最简洁、运行最稳定的一种方式。
以功率合束器为核心技术的多模激光器最早报道是IPG公司，他们在2009年实现了10.5kW多模输出并申请专利，在2013年推出了高达100kW多模工业化产品。我国的高功率光纤激光器起步较晚，但是近年来发展迅速。例如锐科于2017年启动30kW工业级光纤激光器国家重点项目，创鑫于2019年推出30kW工业级激光器。可以说短短几年内，10-15 kW功率合束多模激光器已经成为国内各个光纤激光器厂商的标配。尽管目前多模高功率激光器在工业领域的运用已经越来越广泛，但是市场上大多数6 - 10kW量级工业多模激光器的光束质量因子 M2≈ 10 - 11 。
与众不同，湖南大科激光有限公司近年推出了高亮度大功率多模光纤激光器，引领了多模光纤激光器发展的潮流。以6kW和10kW光纤激光器为例，大科激光的高亮度多模激光产品参数如下表所示：
光学参数 | DK-YMM 6000 | DK-YMM 10000 | |
工作模式 | 连续/调制 | 连续/调制 | |
偏振态 | 随机 | 随机 | |
光束质量 | M2 | < 4.0 | < 4.0 |
BPP | ＜1.4 mm·mrad | ＜1.4 mm·mrad | |
输出功率 | ≥6000W | ≥10000W | |
接口制式 | QBH / QD | QBH / QD | |
输出光纤芯径 | 50µm | 50µm | |
功率调节范围 | 10%~100% | 10%~100% | |
输出功率不稳定性(RMS) | ≤1.5% | ≤1.5% | |
光谱中心 | 1080±3nm | 1080±3nm | |
指示光波长 | 635nm | 635nm | |
指示光功率 | >0.3mW | >0.3mW | |
电控参数 | DK-YMM 6000 | DK-YMM 10000 | |
工作电压 | AC 380V | AC 380V | |
AC供电频率 | 50 – 60 Hz | 50 – 60 Hz | |
最大功耗 | <18kW | <30kW | |
上位机通讯协议 | TCP/IP 或 RS485 | TCP/IP 或 RS485 | |
其它参数 | DK-YMM 6000 | DK-YMM 10000 | |
输出光纤长度 | 10m | 7m | |
冷却方式 | 水冷 | 水冷 | |
整机尺寸（长宽高） | 1200mm×800mm×950mm | 1200mm×800mm×1550mm | |
整机重量 | < 400kg | < 540kg | |
工作环境温度 | -10℃~50℃ | -10℃~50℃ | |
存储温度 | -15℃~60℃ | -15℃~60℃ | |
工作相对湿度 | 20%-80% | 20%-80% |
大科激光DK-YMM 6000多模连续光纤激光器
高亮度多模激光典型的光束质量测试结果如下图所示：
如何在一定的合束效率下，还能保持较高的光束质量，对实现这种高亮度多模激光器显然是非常关键的。对其核心器件——激光功率合束器的理论研究表明：三合一功率合束器输出的光束质量极限M2 ≈ 2.4 ，七合一功率合束器输出的光束质量极限M2 ≈ 3.5 。但是实际应用中很难实现理想的功率合束。大多数制造商往往片面的追求功率合束效率，而忽略了对光束质量的控制。湖南大科成功推出M2≤4的高亮度多模激光器，不仅源于大科技术团队对功率合束技术方面浸淫多年的深厚技术积累，还在于他们对核心器件以及整机设计秉承了以下理念：
1、 激光器合束方案采用三合一功率合束的方式。三合一方式输出的光束M2理论极限值是最小的，相比七合一等其他合束方式，能够输出更好的光束质量。
2、 采用了大科激光纯单模激光模块进行合束。纯单模激光模块的光束质量因子M2 ＜1.3 ，保证合束之后光束质量接近理论极限值；
3、 用工匠精神研究每一个技术细节，例如实现了比较理想的光纤模场匹配，以及超低损耗异型光纤熔接等。
以厚板高反材料的切割为例，大科6kW高亮度多模激光器切割速度参数如下表所示：
材料类型 | 厚度mm | 激光功率 | 辅助气体 | 高亮度多模激光器切割速度 m/min | 普通多模激光器切割速度 m/min |
不锈钢 | 6 | 6kW | 氮气 | 11.5 | 7 |
9 | 4.5 | 3 | |||
16 | 1.5 | 0.8 | |||
20 | 1 | 0.5 | |||
铝合金 | 10 | 6kW | 氮气 | 1.5 | |
14 | 1.2 | ||||
19 | 0.6 | ||||
25 | 0.3 | ||||
黄铜 | 6 | 6kW | 氮气 | 9 | 3.5 |
8 | 4.5 | 1.5 | |||
10 | 2.0 | 0.9 | |||
14 | 1.1 | ||||
紫铜 | 4 | 6kW | 氧气 | 9.0 | |
6 | 3.5 | ||||
8 | 1.3 | ||||
10 | 0.7 |
从表中可以看出，与普通6kw多模激光器相比，湖南大科6kw高亮度多模激光器针对厚板高反材料切割有明显的加工优势。例如切割黄铜的速度是普通多模6kw切割速度的二到三倍，有效提升了加工效率，能够为客户节约可观的生产成本。
目前单模光纤激光器在厚板材料深熔焊，以及特种材料高速切割和焊接中存在功率明显不足的问题，若采用普通多模激光器则由于热影响区域太大而影响切割、焊接的速度和质量。湖南大科激光作为高亮度抗高反光纤激光器领跑者，推出高亮度多模激光器正是填补了这一空白区域，在各种常规厚板材料的切割或深熔焊、特种材料高速切割焊接以及远程加工领域展现出较大优势和良好前景。
来源：大科激光
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