工业级150千瓦高功率光纤激光器，配备光压功率测量技术

《Optical Fiber Technology》：Industrial grade 150 kW high power fiber laser with light-pressure power measurement technology

首次实现单级光束合成150.34kW工业级铒光纤激光器，采用30×1信号合成器与水冷光纤端帽，结合光压力测量系统突破传统120kW量程限制，中心波长1081.2nm，光束质量M2=24.4(BPP=8.4mm·mrad)，信号噪声比36.5dB。

　　

常红|廖莉|孙晴|唐亚洲|沈琪琪|赵菊云|曹柏琳|陈晓华|金东晨

BWT北京有限公司，中国北京100070

摘要

本文首次展示了使用单级光束合成方法实现的工业级连续波镱光纤激光器，其输出功率超过了150千瓦。该激光器由6个千瓦的激光模块、30×1信号合成器和带有水冷光纤电缆的高功率输出端帽组成。为了准确测量150千瓦的连续激光输出功率，采用了超高功率光压测量系统。据我们所知，这是首次将光压测量原理应用于输出功率超过150千瓦的激光器直接功率测量。该激光系统的最大输出功率可达150.34千瓦，中心波长为1081.2纳米，光谱带宽为4.6纳米。信号与拉曼比值为36.5分贝，光束质量M2为24.4，对应于光束参数积（BPP）为8.4毫米·毫弧度。

引言

近年来，高功率光纤激光器因其良好的光束质量、高转换效率和稳定性而受到全球关注[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。由于激光加工市场的巨大需求，工业级100千瓦级光纤激光器的功率扩展取得了显著进展[[8], [9], [10], [11]]。IPG Photonics公司在2013年首次报道了使用二级光束合成方法的100千瓦高功率光纤激光器[8,9]。90个输出功率为1.2千瓦的激光模块被分为6组，每组包含15个模块。15个模块的光辐射通过19×1的合成元件耦合到100微米的多模光纤中，然后6个子合成模块被耦合到直径为500微米的光纤中，输出功率为101.3千瓦，BPP为25毫米·毫弧度。2023年，华南大学的研究人员通过多级光束合成方法和优化的稀土掺杂光纤设计，报道了101.65千瓦的光纤激光器[10]，并在2023年进一步实现了120千瓦的功率扩展[11]。

随着对厚金属板激光切割和焊接等工业应用的日益增长的需求，进一步提高光纤激光器的输出功率和光束质量变得至关重要，这可以实现更高的加工效率和更优的加工质量[12,13]。然而，进一步的突破受到激光热管理、非线性效应和超高功率激光测量技术的限制[14,15]。多级光束合成方法证明了从低功率模块实现100千瓦级功率输出的可行性，但会牺牲光束质量和合成效率。随着单个模块功率的增加和光纤的优化，使用单级光束合成方法实现更高功率和更优光束质量的激光输出是可行的[16]。

超高功率光纤激光器的发展受到激光计量的限制。商用量热式功率计的最大测量范围通常仅为120千瓦。光压功率测量技术具有超高功率测量能力、更快的响应时间和紧凑性的优势[17,18]。值得注意的是，随着激光功率的增加，测量不确定性降低，使得这项技术特别适用于超高功率激光计量。

在本文中，我们展示了使用单光束合成方法实现的150千瓦超高功率光纤激光器。该高功率光束合成激光系统由6个千瓦的激光模块、30×1信号合成器和带有水冷光纤电缆的高功率端帽组成。通过光压功率计（LPPM）实现了150.34千瓦的直接功率测量。

部分摘录

激光系统设计

150千瓦超高功率激光系统由高功率激光模块、功率合成单元和超高功率端帽组成。整体尺寸如图1(a)所示，为1800毫米×1300毫米×1745毫米。我们采用了单级合成配置，包括30个输出功率为6千瓦的激光模块和30×1的超高功率信号合成器，如图1(b)所示。

6千瓦的激光模块主要由两部分组成：高集成度、高亮度的泵浦平台（BWT）

功率测量实验装置

为了直接测量150千瓦的激光器，建立了一个光压测量系统，如图6所示。该系统包括150千瓦激光器、高功率准直器、LPPM [17]和高功率激光衰减器。准直后的激光以较小的发散角耦合到LPPM中，之后被高功率激光衰减器接收。

LPPM的示意图如图7所示。LPPM包含三个具有超高反射率和高

功率测量实验装置

高功率激光模块的输出功率使用量热式功率计（Gentec, HP60A-15KW）进行测量。在总泵浦功率为7700瓦的情况下，模块的输出激光功率超过6000瓦，光-光效率为78%，如图8(a)所示。全功率下的输出光谱使用光谱分析仪（YOKOGAWA, AQ6370D）进行测量，如图8(b)所示。中心波长位于1080.4纳米，信号与拉曼比值为

结论

总之，这是首次使用单级光束合成方法实现的输出功率超过150千瓦的工业级连续波镱光纤激光器的演示。中心波长为1081.2纳米，光谱带宽为4.6纳米。信号与拉曼比值为36.5分贝，光束质量M2为24.4，对应于BPP为8.4毫米·毫弧度。此外，150千瓦光纤激光器在光的产生、传输和检测方面实现了多项关键技术创新

CRediT作者贡献声明

常红：撰写——原始草稿、正式分析、数据管理、概念化、研究。廖莉：撰写——原始草稿、数据管理、研究。孙晴：方法论、正式分析、概念化、资源准备。唐亚洲：数据管理。沈琪琪：方法论、资源准备。赵菊云：项目管理。曹柏琳：软件开发。陈晓华：监督、资源准备、项目管理、研究。金东晨：撰写——审稿与编辑、资源准备、项目管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家研发计划（编号：2024YFB3613300）的支持。