公大激光发布 | 全球首台近单模2000W连续绿光激光器

一、激光技术背景

激光技术，自20世纪中叶诞生以来，已成为现代科技的基石之一，其发展背景丰富而深远。1960年，第一台激光器的问世标志着一个新时代的开启，梅曼利用红宝石晶体成功产生了相干光，这种新型光源具有前所未有的单色性、相干性和方向性，为科学研究和技术应用开辟了新天地。进入21世纪后，随着半导体泵浦技术、光纤激光技术和超快激光技术的发展，激光技术迎来了新的飞跃。半导体泵浦技术提高了激光器的电光转换效率，降低了制造成本。光纤激光器以其高功率、高稳定性和紧凑的结构设计，成为工业加工的优选。超快激光器则以其超短脉冲特性，在微纳加工和生物医学领域展现出巨大潜力。当前，激光技术正朝着更高功率、更高精度和更广泛应用的方向发展。

随着光纤激光器技术的快速发展，激光器的输出功率、光束质量和电光效率不断提高，为高功率绿光激光器的研发提供了技术基础。非线性光学倍频技术的发展，使得从红外光纤激光器转换到绿光激光器成为可能，提高了绿光激光器的输出功率。在工业加工领域，高功率激光设备在航空航天、汽车制造、船舶制造等领域的切割、焊接、打标、测量发挥着重要的作用；在医疗应用领域，激光的精确性和控制能力使其在眼科手术、皮肤治疗和其他医疗程序中得到广泛应用。激光技术已经渗透到日常生活的方方面面，从工业制造到艺术创作，再到科学研究。随着技术的进步，高功率激光器的研发使得激光在工业加工能力上得到显著提升。

二、高功率、短波长激光的应用发展及优势

高功率绿光激光的发展备受关注。连续光纤激光器由于其运转模式连续及其波导式结构的特点，具有输出激光能量均匀、高增益、高转换效率、可实现超高功率输出、光束质量较好、容易实现单模输出和性能稳定等优点。

激光与材料相互作用的原理是复杂多样的，不同的激光参数（如波长、功率、脉冲宽度等）和材料特性会导致不同的相互作用效果。这些相互作用的结果在激光技术的应用中有着广泛的利用，如材料加工、医疗治疗、科学研究等。图1表示了不同材料对不同波长激光的吸收率曲线图。可以看出不同材料对不同波长激光的吸收率曲线不同。加工过程中材料吸收的激光能量可以转化为热能，导致材料局部温度升高。这种热效应在激光切割、焊接和热处理等过程中非常重要，导致材料发生相变，如熔化、蒸发或升华。

铜材料是世界上应用最广的金属材料之一，在常温条件下，如图2所示，铜材对1064nm波段的激光吸收率只有不到5%，而对532nm的绿光的吸收率可以达到40%，相当于是近红外波段激光的8倍。而铜材大量应用于锂电、微电子等行业，目前工业界使用最多的是1064nm波段的近红外激光器，由于铜对1064nm波段激光吸收率低从而会在加工过程中出现效率低、气泡、飞溅等问题，而绿光激光用于切割或焊接铜材等材料的效果比近红外激光效果要好很多。因此实现高功率、高效率的连续绿光输出成为激光器的研究热点之一。

图1. 铜对不同波长的吸收率

引自《高功率连续绿光激光器的研究进展》

图2表示了几种典型粉末材料对不同波长激光的吸收率曲线图。可以看出不同材料对不同波长激光的吸收率曲线不同。加工过程中材料吸收的激光能量可以转化为热能，导致材料局部温度升高。这种热效应在激光切割、焊接和热处理等过程中非常重要，导致材料发生相变，如熔化、蒸发或升华。

图2. 典型粉末材料对各波长激光的吸收率

绿光激光器的一个重要应用是3D打印技术。在金属3D打印领域，绿光激光器可以提高打印质量，实现纯铜材料复杂结构的3D 打印，图3为单模连续绿光光纤激光器纯铜打印分析结果，设备集成商为希禾增材，采用公大激光推出的500W单模绿光激光器作为打印光源。

图3. 单模连续绿光光纤激光打印纯铜（希禾增材）（致密度≥99.5%）

使用单模连续绿光光纤激光器作为光源，在打印纯铜方面的应用是一个相对较新的技术领域，它利用了绿光激光器的光束特性来克服传统激光技术在处理高反射材料时遇到的挑战。由于纯铜对绿光的吸收率远高于对近红外光的吸收率，使得绿光激光器在铜材料的加工上更为有效。另一方面，单模激光器产生的光束具有很高的质量和一致性，这对于精密加工至关重要，尤其是在打印纯铜时，可以确保打印过程的精细度和一致性。

图4. 希禾增材XH-M160G 3D打印的纯铜热处理感应器

图5. 希禾增材XH-M160G 3D打印的纯铜电机绕组

而在短波长激光器的开发中，紫外（UV）激光器和蓝光激光器因其独特的应用特性而备受关注。由于紫外激光波长较短，对材料的纯度和光学特性要求极高，目前难以找到能够承受高功率紫外激光的材料，市场上出现的超过百瓦的紫外激光器并不多见。蓝光激光器虽然目前已有制造商实现了千瓦级的功率输出，但在光纤合束前，蓝光激光器需要进行空间合束，这一过程对激光光束的质量、稳定性和功率分布有严格要求，与光纤激光器相比，蓝光激光器的光束质量较差，这限制了其在某些精密加工应用中的性能。

另一方面，经过各国科研人员的努力，商用的绿光激光器近年取得较大的进展。德国通快集团(TRUMPF)于2021年推出高功率连续绿光碟片激光器TruDisk 3022，能够提供多模3kW的最高输出功率，是目前绿激光系列中的最高功率，展示了其在铜材焊接方面的应用优势，但其价格非常昂贵。美国IPG公司于2022年推出了世界上第一台千瓦级单模纳秒脉冲绿光激光器GLPN-1000，可提供高达1kW的平均功率，整机体积小巧，电光转换效率高达25%，引起了产业界的广泛关注。

三、世界上首台近单模2千瓦连续绿光激光器

据市场研究公司Optech Consulting的最新报告显示，2023 年全球材料加工激光系统市场规模估计为235亿美元，同比增长4%。随着高端制造业的发展，对高功率绿光激光器的需求不断增长。

深圳公大激光，主要从事“先进短波长光纤激光器"和“激光精密加工解决方案”的研发、生产和销售，是一家专注于中高功率短波长（绿光和紫外）全光纤激光器的研发、生产和应用方案的激光器公司。公大激光继2022年推出的500W单模绿光激光器和2023年推出的1000W单模和3000W多模连续绿光激光器之后，本次新推出最高输出功率达到2千瓦近单模绿光光纤激光器，已得到终端相关行业客户的测试验证。公大激光，是全球第一家能够提供2千瓦近单模连续绿光激光器产品的厂家。

图6. 近单模2千瓦连续绿光激光器产品

主要激光特性，测试结果如下：

（1）激光器基本参数

表1. 激光器基本参数

（2）功率稳定性，连续出光拷机12h，整机功率波动小于1.5%

图7. 12小时功率稳定性测试曲线

（3）光斑能量分布测试

图8. 光斑能量分布测试图

（4）光束质量测试

图9. 光束质量测试图@2千瓦

四、结语与展望

公大激光最新推出的近单模2千瓦连续绿光激光器，是全球最高平均功率的准单模连续光纤绿光激光器。该产品的推出，为高反材料的加工提供了更充足的能量，近单模输出保证了激光光束的高质量和一致性，有望为厚铜材加工带来的更高焊接质量、更高效率和熔深。全光纤基频和腔外倍频的结构，提供了高度的稳定性和可靠性，同时保证了激光器的紧凑性和易集成性。随着技术的不断进步和市场的不断成熟，我们有理由相信，高功率光纤绿光激光器将为社会带来更多的可能性。

高功率绿光在铜材精密焊接上有着明显优势，特别在电控的IGBT和扁线电机焊接上，具有热影响小，飞溅小，拉力稳定，良率高。除了在铜等高反金属材料焊接上有突出的物理特性优势；还在高精密、高效率铜材料3D打印上，有着巨大的应用潜力。

(a)车载级高压充电端子

(b) IGBT模块引脚焊接

图10. 高功率近单模连续绿光焊接应用

未来，我们公大激光将继续努力，开发更多创新技术，进一步提高激光器的功率、效率和可靠性，同时降低成本，匹配更多重要的应用场景，为全球高端制造升级贡献力量。