1、行業(yè)背景介紹
市場研究公司Optech Consulting的一項(xiàng)最新調(diào)研報(bào)告顯示，去年全球工業(yè)激光系統(tǒng)市場顯示出強(qiáng)勁的增長勢頭?；?021年前三個季度的初步數(shù)據(jù)顯示，全球工業(yè)激光系統(tǒng)市場規(guī)模達(dá)到213億美元，創(chuàng)下歷史新高，較2020年增長了22%。工業(yè)激光源市場在過去一年也創(chuàng)下了52億美元的新紀(jì)錄，光纖激光器占比超過50%，而美國IPG 作為光纖激光器的龍頭企業(yè)，占據(jù)光纖激光器近五成份額。
高功率脈沖光纖激光器，具有穩(wěn)定可靠，性價比高，高功率高效率，優(yōu)異的光束質(zhì)量等特性，已廣泛應(yīng)用于新能源行業(yè)，裝備制造業(yè)，3C行業(yè)，精密加工行業(yè)，激光清洗等領(lǐng)域。
根據(jù)種子源特性的不同，納秒脈沖光纖激光器一般分為調(diào)Q脈沖光纖激光器和MOPA 脈沖光纖激光器。工業(yè)用高功率脈沖光纖激光器一般采用MOPA結(jié)構(gòu)，包括主動調(diào)Q脈沖光纖激光器/電調(diào)制的半導(dǎo)體光纖激光器以及若干級光纖放大器實(shí)現(xiàn)高功率脈沖激光輸出。
目前比較成熟的技術(shù)是采用MOPA(主振動功率放大)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，MO(Master Oscillator)就是主振動器，其實(shí)就是一個功率很小激光器，一般可選用波長合適(如1064nm)的Laser Diode 。小功率LD很容易通過驅(qū)動電流來直接調(diào)制輸出參數(shù)，如重復(fù)頻率、脈寬、脈沖波形以及功率大小，通過尾纖把光脈沖信號串聯(lián)進(jìn)PA(Power Amplifier)---光纖功率放大器進(jìn)行光脈沖放大。光纖放大器一般只用于光纖通訊，它的原理與光纖激光器相似，只不過撤掉了光纖兩端的光纖光柵而無法形成激光振動，只起信號放大作用。光纖放大器能嚴(yán)格按照MO耦合進(jìn)來的種子源光進(jìn)行原形放大，并基本保持種子激光波長、重復(fù)頻率、脈沖波形等參數(shù)，所以脈沖激光器采用MOPA方式，經(jīng)過多級放大后，既可得到優(yōu)良的激光特性，又能大大提高輸出激光的亮度。
相比調(diào)Q激光器，MOPA 激光器脈沖寬度可控，峰值功率可控，工作頻率范圍廣，穩(wěn)定可靠，更受應(yīng)用市場青睞。
2、激光器行業(yè)現(xiàn)狀
近幾年來我國激光制造行業(yè)呈現(xiàn)整體爆發(fā)的態(tài)勢，這背后離不開國產(chǎn)光纖激光器制造廠商的迅速成長。而進(jìn)口光纖激光器高昂的售價一直是激光設(shè)備無法在更多應(yīng)用領(lǐng)域獲得更大規(guī)模應(yīng)用的主要發(fā)展障礙，從這一點(diǎn)上講，國產(chǎn)光纖激光器制造廠商不斷向市場推出物美價廉的產(chǎn)品，承載著國內(nèi)甚至全球激光裝備和應(yīng)用市場持續(xù)高速發(fā)展的重要?dú)v史使命。連續(xù)激光器已得到較大的發(fā)展，中低功率激光器，已基本被國內(nèi)廠商占據(jù)，最高輸出功率可以達(dá)到10萬瓦(銳科2021年推出)。
超高功率脈沖光纖激光器市場，目前主要由IPG 壟斷。超過250W 以上脈沖光纖激光器，IPG 市場占比90%以上，目前主要應(yīng)用在鋰電池薄片切割，太陽電池片加工，激光清洗等行業(yè)上。國內(nèi)廠商，處于明顯劣勢。近單模的MOPA 激光器，目前國內(nèi)最高功率約500W。而IPG 同類激光器輸出功率超過5000W，但對國內(nèi)最高只能銷售500W MOPA。超高功率脈沖光纖激光器近年發(fā)展迅速，國內(nèi)廠商正在努力追趕，公大激光最近推出了近單模1000W MOPA脈沖光纖激光器。
3、公大激光高功率激光器介紹
深圳公大激光有限公司，2019年12月成立于世界先進(jìn)制造之都深圳。公大激光主要從事“先進(jìn)短波長光纖激光器"和“激光精密加工解決方案”的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，是一家專注于中高功率短波長(綠光和紫外)全光纖激光器的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用方案的激光器公司。公司創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)擁有十六年光纖激光器研發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)過多種類型高功率光纖激光器，能為本土與國際激光設(shè)備廠商提供性能優(yōu)越的激光器解決方案。目前主要產(chǎn)品有50-500W高功率綠光激光器，100-1000W MOPA 脈沖光纖激光器，以及100-2000W 窄線寬連續(xù)光纖激光器。下面重點(diǎn)介紹，最新推出的1000W MOPA 脈沖光纖激光器。
4、1000W MOPA 激光器輸出特性
(1)輸出模式表
(2)輸出脈沖波形
輸出脈沖波形 10-500ns 滿功率輸出
脈沖穩(wěn)定性測試-500ns 670KHz 1052W
(3)輸出光譜圖 (10-500ns)
輸出光譜10-500ns 滿功率輸出
(4)輸出功率曲線
a.輸出功率曲線：
b. 輸出功率穩(wěn)定性測試(38小時)
38小時功率穩(wěn)定性測試
(5)光束質(zhì)量測試報(bào)告
輸出光束質(zhì)量及光斑能量分布
5、1000W MOPA 激光器應(yīng)用初步測試
為了粗略測試1000W MOPA激光器，基本性能，我們進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)配置F160焦距的場鏡，在鋁材上進(jìn)行一分鐘的15mm*15mm面積深雕，分別使用公大激光的300W 、500W 和 1000W MOPA 進(jìn)行對比測試。分別測試了，采用正焦深雕和Z軸同步移動兩種方式，測試結(jié)果見下：
Fig 1. 起始正焦深雕--Z軸不移動
Fig 2. Z軸勻速移動，基本保證正焦深雕
測試激光器基本參數(shù)對比：
注：上述激光器最大單脈沖能量為2mJ , 但最高深雕效率為1.5mJ 左右，因此使用1.5mJ 的參數(shù)進(jìn)行深雕對比實(shí)驗(yàn)。
從數(shù)據(jù)上看，不使用Z軸進(jìn)行焦距矯正時，深雕的效率明顯低于采用Z軸矯正焦距的深雕效率。主要原因?yàn)?，離焦后聚焦光斑變大，能量密度下降，導(dǎo)致深雕效率下降。1000W MOPA 鋁材深雕效率明顯高于500W 和300W MOPA，見圖片測量數(shù)據(jù)。注：本次實(shí)驗(yàn)僅測試效率，未考慮深雕后，基材低紋情況。
6、行業(yè)前景分析
1000W MOPA 脈沖光纖激光器樣機(jī)已初步完成，測試各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)基本正常，后續(xù)考慮送樣給有相關(guān)需求的客戶進(jìn)行更多的應(yīng)用效果測試。
相對目前國內(nèi)設(shè)備廠商大批量使用的IPG 250 MOPA 激光器，1000W MOPA 具有更高的平均功率，更高重復(fù)頻率，有望在鋰電池行業(yè)、太陽能光伏行業(yè)及激光清洗等行業(yè)應(yīng)用提速增效，為我國先進(jìn)制造添薪加柴。
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