光惠激光：功率与亮度双轮驱动，定义未来光纤激光器发展

 

激光主要有四大特性，分别为高亮度、方向性好、单色性好、高相干性。这些特性彼此关联，使得激光能够适用于不同的场景。

 

激光的高亮度是区别于普通光源的重要特征，而提高功率和亮度也是激光器发展的永恒课题。何为高亮度，用技术语言表达就是描述光束质量的指标M²越接近于1。

 

近年来，随着技术的提升，国产光纤激光器已逐步突破功率的限制，从12KW，到20KW，目前市面上最高已推出功率为30KW的光纤激光器，下一步就是50KW。大家关注和比拼的也是谁的激光器输出功率更大，却忽略了谁的光束质量更好。

 

今天就让我们一起来看一看何为高亮度，以及高亮度的优势和意义。

 

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01  激光束的特性

 

激光器发出来的激光，是这个样子，先在近场汇聚，然后在远场发散开

 

 

其中，

 

束腰半径w0是激光束在近场汇聚到最小截面处的半径；

 

瑞利长度ZR是束腰增加 √2倍时的位置；

 

远场定义为4倍瑞利长度之外的范围，近场定义为4倍瑞利长度以内范围；

 

远场发散角θ表征激光束在远场的发散程度。

 

02  光束质量的表征

 

光束质量是表征激光束特性的核心参数，是激光器的一个重要指标，用来衡量激光束在特定情况下聚焦的程度。常用的量化光束质量的方法有：光束参数乘积（BPP）和M²因子。

 

BPP（Beam Parameter Product）：光束参数乘积，定义为束腰半径（w0）乘以远场发散角（θ）：

 

 

M²：光束参数乘积与基模高斯光束的光束参数乘积的比值，可与BPP进行换算：

 

 

通过由以上公式我们不难发现：BPP与波长是无关的，而M²因子与激光波长有关。

 

M²因子数值无限接近于1，表示真实数据和理想数据的比值，当真实数据越接近于理想数据时，则光束质量越好。

 

对于1070nm波长的光纤激光器来说，理想的参数应是：

 

 

当光纤激光器BPP或M²参数越接近这个数值，则光束质量越好，对应的发散角度越小。

 

03  光束质量如何确定

 

通常，我们使用光束分析仪来测量激光器的光束质量，让分析仪与光路产生相对运动，采集多个位置的X、Y、Z信息，以此确定束腰大小、位置和发散角，并推算出瑞利长度和BPP或M²。

 

常用的有刀口法和狭缝法，这两者的思想基本是一致的，即利用一个刀口或者狭缝扫描过光束，测绘出一个切面的光场分布，然后通过上下移动，测绘出不同距离的切面，最后得出立体的光场分布。

 

刀口法

 

 狭缝法

 

光束质量的测试往往较复杂，简单地，我们可以根据光纤芯径和数值孔径（NA）来近似估算。

 

一束光，无论角度范围多大，只有在临界入射角度范围内进入光纤的光才能正常进行传输，这个角度α的正弦值就是光纤的数值孔径NA，即NA=sinα，它体现了光纤接收光的能力。一般可以近似地认为，

 

04  我们平时所说的高亮度激光器是什么意思？

 

亮度（Br）定义：单位面积与单位立体角内的功率密度。按照我们之前提到的，光纤激光器的纤芯面积，远场立体角。

 

 

根据上述公式，不难看出：所谓的高亮度，就是在同等功率下，拥有更高的光束质量（即BPP或M²更小）。

 

光惠激光（GW Laser Tech）作为高亮度激光器全球领先者，专注于976nm的高亮度光纤激光器研发，引领了光纤激光器发展的潮流。

 

光惠激光的单模10μm极限光纤输出激光器，M²＜1.1，以及50kw 100μm光纤激光器拥有接近物理极限的能量密度。

 

 

常规100μm芯径的单模4kW激光器M²＜1.3、多模12kW激光器BPP<4。

 

光惠激光YLPS系列单模组4KW激光器

光惠激光YLPM系列多模组20KW激光器

 

05  高亮度的意义与优势

 

近年来，高功率激光器正逐渐成为市场主力军，光纤激光器也在朝着功率更高的方向前进，12KW激光器已成为目前主流激光器厂商的标配。去年，光惠激光的20KW激光器销量大幅增长；目前，40KW激光器也逐渐开始出货。

 

当前的高功率光纤激光器绝大部分是由多模块合束而成，即把多个激光模块输出的光耦合到一根光纤里输出，相比于单个激光模块的输出光纤纤芯，多个模块合束后的输出光纤纤芯直径要更大，光束质量也相应要更低。

 

若是忽略光束质量，通过多模块合束方案，再高的功率都可以实现。但是，随着技术进步与产业升级，制造业会逐步走向高端化，这势必会对激光器提出越来越高的要求，不仅仅满足于功率的增加，更注重亮度的提升。那些一味提升功率、不注重亮度的高功率激光器将很快被市场淘汰。

 

光惠激光（GW Laser Tech）从成立之初，就致力于高亮度激光器的研发，将增加功率与提升亮度并重齐驱。通过对单激光模块技术、光纤熔接、合束方案等多方面的优化，实现了激光亮度的进一步提高。在同等功率条件下，经过相同的光学系统准直聚焦后，焦点处光斑更小，能量密度更高。这在激光加工应用上直接表现为：同等功率下，加工速度更快；同等加工速度下，所需功率更小。

 

以光惠激光的YLPM系列20KW激光器切割为例，同样的功率下对比其他某激光器，切割速度更快，且这一优势在切割高反材料上尤为明显。

 

结语

 

高亮度激光器是激光行业发展的一个重要方向，目前的高功率激光器市场已出现明显的同质化，各大激光器厂商纷纷在往叠加功率的方向上前进。

 

光惠激光不仅在意激光功率的增加，更加注重激光亮度的提升。未来将继续在高亮度方向不断深耕探索，让激光器拥有更优的光束质量和加工性能，助力客户提升加工效率。

 

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