機(jī)床商務(wù)網(wǎng)公司動態(tài)
功率與亮度雙輪驅(qū)動，定義未來光纖激光器發(fā)展
閱讀：45 發(fā)布時間：2023-11-6
功率與亮度雙輪驅(qū)動定義未來光纖激光器發(fā)展
激光主要有四大特性，分別為高亮度、方向性好、單色性好、高相干性。這些特性彼此關(guān)聯(lián)，使得激光能夠適用于不同的場景。
激光的高亮度是區(qū)別于普通光源的重要特征，而提高功率和亮度也是激光器發(fā)展的永恒課題。何為高亮度，用技術(shù)語言表達(dá)就是描述光束質(zhì)量的指標(biāo)M2越接近于1。
近年來，隨著技術(shù)的提升，國產(chǎn)光纖激光器已逐步突破功率的限制，從12KW，到20KW，目前市面上已推出功率為30KW的光纖激光器，下一步就是50KW。大家關(guān)注和比拼的也是誰的激光器輸出功率更大，卻忽略了誰的光束質(zhì)量更好。
今天就讓我們一起來看一看何為高亮度，以及高亮度的優(yōu)勢和意義。
激光束的特性
激光器發(fā)出來的激光，是這個樣子，先在近場匯聚，然后在遠(yuǎn)場發(fā)散開
其中，
束腰半徑w0是激光束在近場匯聚到最小截面處的半徑；
瑞利長度ZR是束腰增加 √2倍時的位置；
遠(yuǎn)場定義為4倍瑞利長度之外的范圍，近場定義為4倍瑞利長度以內(nèi)范圍；
遠(yuǎn)場發(fā)散角θ表征激光束在遠(yuǎn)場的發(fā)散程度。
光束質(zhì)量的表征
光束質(zhì)量是表征激光束特性的核心參數(shù)，是激光器的一個重要指標(biāo)，用來衡量激光束在特定情況下聚焦的程度。常用的量化光束質(zhì)量的方法有：光束參數(shù)乘積（BPP）和M2因子。
BPP（Beam Parameter Product）：光束參數(shù)乘積，定義為束腰半徑（w0）乘以遠(yuǎn)場發(fā)散角（θ）：
M2：光束參數(shù)乘積與基模高斯光束的光束參數(shù)乘積的比值，可與BPP進(jìn)行換算：
通過由以上公式我們不難發(fā)現(xiàn)：BPP與波長是無關(guān)的，而M2因子與激光波長有關(guān)。
M2因子數(shù)值無限接近于1，表示真實(shí)數(shù)據(jù)和理想數(shù)據(jù)的比值，當(dāng)真實(shí)數(shù)據(jù)越接近于理想數(shù)據(jù)時，則光束質(zhì)量越好。
對于1070nm波長的光纖激光器來說，理想的參數(shù)應(yīng)是：
當(dāng)光纖激光器BPP或M2參數(shù)越接近這個數(shù)值，則光束質(zhì)量越好，對應(yīng)的發(fā)散角度越小。
光束質(zhì)量如何確定
通常，我們使用光束分析儀來測量激光器的光束質(zhì)量，讓分析儀與光路產(chǎn)生相對運(yùn)動，采集多個位置的X、Y、Z信息，以此確定束腰大小、位置和發(fā)散角，并推算出瑞利長度和BPP或M2。
常用的有刀口法和狹縫法，這兩者的思想基本是一致的，即利用一個刀口或者狹縫掃描過光束，測繪出一個切面的光場分布，然后通過上下移動，測繪出不同距離的切面，最后得出立體的光場分布。
▲ 刀口法
▲ 狹縫法
光束質(zhì)量的測試往往較復(fù)雜，簡單地，我們可以根據(jù)光纖芯徑和數(shù)值孔徑（NA）來近似估算。
一束光，無論角度范圍多大，只有在臨界入射角度范圍內(nèi)進(jìn)入光纖的光才能正常進(jìn)行傳輸，這個角度α的正弦值就是光纖的數(shù)值孔徑NA，即NA=sinα，它體現(xiàn)了光纖接收光的能力。一般可以近似地認(rèn)為：
我們平時所說的高亮度激光器是什么意思？
亮度（Br）定義：單位面積與單位立體角內(nèi)的功率密度。按照我們之前提到的，
光纖激光器的纖芯面積
遠(yuǎn)場立體角
根據(jù)上述公式，不難看出：所謂的高亮度，就是在同等功率下，擁有更高的光束質(zhì)量（即BPP或M2更?。?/span>
光惠激光（GW Laser Tech）作為高亮度激光器者，專注于976nm的高亮度光纖激光器研發(fā)，了光纖激光器發(fā)展的潮流。
光惠激光的單模10μm極限光纖輸出激光器，M2＜1.1，以及50kw 100μm光纖激光器擁有接近物理極限的能量密度。
常規(guī)100μm芯徑的單模4kW激光器M2＜1.3、多模12kW激光器BPP<4。
▲ 光惠激光YLPS系列單模組4KW激光器
▲ 光惠激光YLPM系列多模組20KW激光器
高亮度的意義與優(yōu)勢
近年來，高功率激光器正逐漸成為市場主力軍，光纖激光器也在朝著功率更高的方向前進(jìn)，12KW激光器已成為目前主流激光器廠商的標(biāo)配。去年，光惠激光的20KW激光器銷量大幅增長；目前，40KW激光器也逐漸開始出貨。
當(dāng)前的高功率光纖激光器絕大部分是由多模塊合束而成，即把多個激光模塊輸出的光耦合到一根光纖里輸出，相比于單個激光模塊的輸出光纖纖芯，多個模塊合束后的輸出光纖纖芯直徑要更大，光束質(zhì)量也相應(yīng)要更低。
若是忽略光束質(zhì)量，通過多模塊合束方案，再高的功率都可以實(shí)現(xiàn)。但是，隨著技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)升級，制造業(yè)會逐步走向化，這勢必會對激光器提出越來越高的要求，不僅僅滿足于功率的增加，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將很快被市場淘汰。
光惠激光（GW Laser Tech）從成立之初，就致力于高亮度激光器的研發(fā)，將增加功率與提升亮度并重齊驅(qū)。通過對單激光模塊技術(shù)、光纖熔接、合束方案等多方面的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了激光亮度的進(jìn)一步提高。在同等功率條件下，經(jīng)過相同的光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直聚焦后，焦點(diǎn)處光斑更小，能量密度更高。這在激光加工應(yīng)用上直接表現(xiàn)為：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激光器切割為例，同樣的功率下對比其他某激光器，切割速度更快，且這一優(yōu)勢在切割高反材料上尤為明顯。
高亮度激光器是激光行業(yè)發(fā)展的一個重要方向，目前的高功率激光器市場已出現(xiàn)明顯的同質(zhì)化，各大激光器廠商紛紛在往疊加功率的方向上前進(jìn)。
光惠激光不僅在意激光功率的增加，更加注重激光亮度的提升。未來將繼續(xù)在高亮度方向不斷深耕探索，讓激光器擁有更優(yōu)的光束質(zhì)量和加工性能，助力客戶提升加工效率。