《中国激光》刊发 ｜150 kW超高功率光纤激光器

光纤激光器作为激光技术发展的主流方向，具有性能优异、电光转换效率高、光束质量好和性能稳定等优点，已被广泛应用于工业加工、航空航天、国防和医疗等领域。工业级万瓦光纤激光器在激光加工旺盛的市场推动下，功率不断突破上限，已于2017年实现了120 kW激光输出，但受限于激光器热管理、非线性效应及超高激光功率测量技术等瓶颈，超高功率光纤激光器的输出功率至今尚无新突破。

北京凯普林光电科技股份有限公司（以下简称“凯普林”）通过研究光纤激光器的高效散热技术和高光束质量合束技术，构建了高性能光学平台，在高功率激光合束及输出核心光学器件的制造工艺上取得了突破，实现了150 kW超高功率光纤激光器的高光束质量激光输出。同时，该公司的科研人员还搭建了基于光压原理的超高功率测量平台，经我国权威机构——中国计量科学研究院认证，该平台可以实现150 kW满功率激光测量。

凯普林150 kW工业级超高功率光纤激光器采用超高功率合束技术，通过N×1信号合束器将多个基于芯片一体化技术的高集成6 kW光学平台进行功率合成，同时结合多信息融合的激光器智能监测技术，实现稳定的激光输出，具备业界领先的功率体积比（36.76 kW/m³），其外观尺寸为1800 mm×1300 mm×1745 mm。系统结构如图1所示，每个光学平台集成了自制的高功率拉曼光栅，可以高效抑制激光光谱的受激拉曼散射，满功率合成后可实现36.5 dB@150 kW的拉曼信噪比，如图2左图所示。高功率信号合束器采用绝热拉锥技术和无损熔接技术制备得到，这两项技术解决了合束效率低、光束质量劣化等行业痛点问题，信号合束器的合束效率为97.1%。同时，结合集成化一体水冷技术，解决了光模块、信号合束器及高功率输出头的发热问题。高功率输出头采用200 μm纤芯输出，长度为20 m，结合发散角压缩技术、高阶模滤除技术，实现了高功率、高亮度的激光输出。对整机光束质量进行了测试，测得质量因子M²=24.42（光束参量乘积BPP为8.4 mm·mrad），测试结果和光斑图如图2右图所示。

为了实现150 kW激光的真实测量，搭建了超高功率光压测量系统，该系统由待测激光器、高功率准直头、光压功率计和高功率激光收集系统组成。准直后的激光在功率计中经过三次反射后从输出窗口输出，通过自制的超高功率激光收光系统进行收集，如图3所示。在100%出光条件下，激光器的实测功率为150.34 kW，如图4所示。在20~100 kW功率范围内，将量热型120 kW功率计（Ophir 120K-W）与光压功率计进行了6个功率点的比对验证实验。结果显示，两种测量方式的功率偏差在各功率段均保持相对一致，最大相对偏差均≤1.5%，证明了测试系统准确可信。

综上所述，该光纤激光器可以实现平均功率为150 kW、拉曼信噪比为36.5 dB的激光输出，光束质量因子M²=24.42，具备高功率、高亮度、高稳定的特点，可满足超厚板加工需求，为制造业的发展注入了新的活力。

图1 150 kW工业级超高功率光纤激光器结构示意图

图2 150 kW高功率激光器输出光谱测试图(左)和光束质量测试图(右)

图3 基于光压测量原理的超高功率测量系统示意图

Fig.3 Schematic diagram of ultra-high power laser measurement system based on the principle of light pressure

 

凯普林光电成立于2003年，是面向全球的激光解决方案服务商。公司以“让梦想驭光而行”为使命，以“创变非凡”为价值观，致力于创造更好的激光产品，为全球客户提供半导体激光器、光纤激光器、超快激光器产品及解决方案。

凯普林官网：www.bwt-bj.com

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