随着世界内的能源转型和技术进步，新能源车渗透率不断提高、光伏太阳能的应用场景不断创新、风能和新型储能技术的发展也在不断加速，这一系列能源与技术领域的突破，背后都离不开电池、电机、电控产品的迭代升级。产品的持续迭代不仅意味着对产品技术指标的要求更高。同时也对组成该类产品的铜、铝合金等高反射率金属材料的加工提出了更高的要求。
图1：新能源汽车历年销量数据
过去十余年间，受益于优秀的加工效果以及相对成本优势，激光加工技术已经实现了相对于传统加工方式的技术换代。然而对于铜、铝合金等高反射率金属材料而言，其表面的自由电子会形成驻波波节，在强激光的光波电磁场的强迫振动下会产生次波，这些次波造成了强烈的反射波，从而反射了绝大部分激光。根据这种反射现象与激光波长的关系（见图2），紫铜对于目前常用的中红外1μm波段激光的吸收率仅有5%左右[1]。这会导致激光的能量利用率低，焊接时需大幅提升激光功率，此外，极低的吸收率还造成会造成等离子体云，从而引发金属微粒飞溅，显著降低加工质量和加工效率，需要大量的辅助气体完成加工过程。因此常规的中红外波段激光很难满足上述各类应用场景对于加工精度的要求。
图2：不同波长下不同金属材料的激光吸收率曲线
图3：纯铜材料3D打印光源效果对比[源自公大激光官方网站]
随着窄线宽基频光技术和倍频技术的不断进步，如今激光器厂家已经可以通过二次谐波生成等非线性光学手段实现千瓦级别的绿光激光输出[2，3]，这使得高功率绿光激光器的实用性大大增加，并逐渐成为高反金属精密精密加工和纯铜3D打印的绝佳选择。得益于此类金属材料对于绿光波段极高的吸收率（如紫铜对其吸收率接近40%），相比于红外波段，用绿光做铜的焊接加工时能量利用率得以大大提高，从而减少能源消耗；而且加工过程几乎没有飞溅，飞溅对特定的应用场景如电池加工来说是致命的，飞溅物会影响电池的生产安全、性能和寿命。随着高功率绿光激光器的逐渐普及，该类激光甚至有望逐渐取代现有的中红外波段激光器，成为下一代材料激光加工的理想光源。除此之外，由于人眼对绿光波段的高敏感性以及绿光在水中传输低损耗等特点，绿光波段激光在激光显示技术、舞台表演、交通标识、水下通信等领域发挥了重要作用。尤其是结合了水射流的水导加工技术[4]，凭借精度高、热损伤和形变小等优势，在航空航天、半导体、医疗等领域快速发展，表现出巨大的应用潜力，成为近期激光加工领域的热门技术[5]。
图4：绿光激光器的能耗优势（假设100W激光能量被吸收）
除此之外，由于人眼对绿光波段的高敏感性以及绿光在水中传输低损耗等特点，绿光波段激光在激光显示技术、舞台表演、交通标识、水下通信等领域发挥了重要作用。尤其是结合了水射流的水导加工技术[4]，凭借精度高、热损伤和形变小等优势，在航空航天、半导体、医疗等领域快速发展，表现出巨大的应用潜力，成为近期激光加工领域的热门技术[5]。
图5：水导激光加工原理示意图
高功率绿光激光器的技术突破源自于美国IPG，早在2015年该公司就发布了500 W准连续绿光单模光纤激光器，这是业界首个高功率绿光激光器产品，并获得了当年度全球光电行业的最高奖项Prism Award[6]。但是由于当时缺乏应用场景牵引和配套产业链不成熟，高功率绿光激光器的加工优势没有被充分发挥。随着国内近几年新能源车、动力电池、光伏太阳能、风力发电等领域的飞速发展，面对越来越多的高反射金属材的加工需求，激光器厂商们又重新重视起此项技术。以大族激光、锐科激光、公大激光等为代表的企业纷纷推出了自己的高功率绿光激光器产品。
总体而言，要想获得绿光激光输出，可以采取多种方案：
（1）通过氩离子激光器获得。优点是可以直接通过受激辐射获得绿光波段激光，但该技术属于早期激光器技术，存在体积大、寿命短、工作稳定性差的缺陷；
（2）半导体材料直接激射绿光。利用半导体材料也可以直接获得绿光输出，且具备体积小、功耗低、可靠性高、便于集成等优点，但是受限于输出机制，其功率水平较低，且输出光束质量欠佳；
（3）氟化物光纤直接激射获得绿光。使用ZBLAN等掺铒氟化物光纤可以直接利用能级跃迁产生绿光，但是由于此类光纤目前制造工艺不成熟、价格昂贵，且无法弯曲、化学稳定性差，距离规模化应用还有很远的距离；
（4）利用倍频等非线性光学手段间接获得。利用SHG、OPA、SRS、THG等非线性光学频率转换技术，可以将1064nm等常用波段的激光作为基频光进行倍频，间接获得绿光激光。其优点是基频光技术成熟，可以用较低的成本获得功率高、光束质量好的绿光激光。
图6：通过非线性光学手段获得高功率绿光的示意图
图6给出了采用光学倍频手段获得高功率绿光激光的基本结构，基频光（1064nm）通常由种子源和放大级组成，基频光通过倍频晶体后产生二次谐波，即波长减半（532nm）。该过程的核心是通过达成非临界相位匹配来实现高效的二次谐波产生（SHG）。
为了满足非临界相位匹配的要求，这其中的关键技术主要有两点：高功率窄线宽基频光与高效倍频晶体。高效的倍频转换，要求倍频晶体工作在特定的温度下（通常在150℃左右），且对于入射倍频晶体的角度、光谱宽度、偏振态、光束质量等具有严格的要求。以LBO（三硼酸锂）晶体为代表的非线性晶体已经相当成熟，且倍频转换效率通过优化可以实现大于50%，因此该结构主要的挑战在于如何获得高功率、窄线宽、高光束质量的保偏基频激光。
众所周知，对于光纤激光器而言，各类光学非线性效应是限制输出功率提升的主要原因，而对于绿光倍频所需的高功率窄线宽（光谱宽度通常要求小于0.3nm）激光光而言，起主要限制的是SBS（受激布里渊散射）效应。为了克服SBS效应，获得高功率的窄线宽激光输出，目前主要有窄线宽FBG振荡器与单频激光调制展宽两种方案。其中窄线宽FBG振荡器方案尽管有成本低、结构简单等优点，但是由于其功率和光谱稳定性欠佳，在实际应用场景中的表现尚待检验。而单频激光调制展宽方案则兼顾了稳定性和可靠性，可以完美适配各类精密加工场景下的苛刻要求，是当下的最优选择。
图7：光谱展宽技术示意图
图7对调制展宽技术做了简单描述，该技术源自微波光子学，通过器内置的电光调制器（EOM）将特定的射频信号施加到单频种子光信号上（线宽通常为kHz左右），从而改变单频信号光的时域和频域特性，使其能够克服放大过程中的非线性作用。而施加到其中的射频信号的谱型决定了展宽后的光谱的宽度和形状，进一步决定了放大过程中的非线性抑制效果的好坏。
爱鸥光学凭借团队多年来在调制展宽领域的技术积累，始终在引领单频调制展宽技术的发展潮流，独创了多频数字信号生成方案，使得光谱调制的灵活性大大增加，并且不断提升高功率窄线宽激光器的输出功率[7]。爱鸥光学针对此类应用专门推出了SpectrumShaper系列光谱展宽模块产品，旨在解决客户在研发高功率窄线宽激光器时非线性效应抑制的难题，该系列产品采用模块化设计，简单易用，同时可选内置单频种子源，用户只需进行配套的放大级设计，就可以轻松实现数千瓦以上的基频光输出，为高功率绿光输出打下了关键基础。
图8：爱鸥光学展宽模块示意图
参考文献：
1.陈君，张群莉，姚建华，等．金属材料的激光吸收率研究 [J] ，应用光学，2008,29(5):793-798
2.公大激光发布 | 全球首台近单模2000W连续绿光激光器，https://libattery.ofweek.com/2024-06/ART-36008-8220-30638943.html
3.Peyman Ahmadi, Daniel Creeden, Daniel Aschaffenburg, Vadim Mokan, Mitchell Underwood, Andrea Caprara, Qi-Ze Shu, Luis Spinelli, John Minelly, and Ivaylo Nikolov "Generating kW laser light at 532 nm via second harmonic generation of a high power Yb-doped fiber amplifier", Proc. SPIE 11264, Nonlinear Frequency Generation and Conversion: Materials and Devices XIX, 1126414 (2 March 2020);
4.苏子怀, 孙盛芝, 钱滨, 邱建荣, 戴晔. 水复合激光加工技术的原理和应用进展（特邀）[J]. 中国激光, 2025, 52(14): 1402102.
5.水导激光加工技术：水光纤与激光的完美组合，http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2NDI4MTY3OA==&mid=2247965414&idx=1&sn=79a20b6258dcfcc616081aa5a5e5225c&chksm=ebba0bdc5693a583d677d205dd183cda61d7a0558a6aba5459c4650af2455eefa40abb6e190c&scene=0&xtrack=1#rd
6.https://spie.org/news/spie-professional-magazine-archive/2015-april/prismawards_2015
7. 石梦悦，吴勇，李洁，方志伟，王嘉琎，慕桓，义理林“基于光谱展宽的高功率窄线宽激光器研究进展”，激光与光电子学进展，2023.（封面文章）
