高功率连续光纤激光器技术演进及瓶颈！

1.2.2 我国发展情况

我国对光纤激光器的研究起步较晚，始于２０世纪８０年代末。根据相关报道，近１０年我国高校、研究所、企业等众多研究机构的关注焦点主要是掺镱双包层光纤激光器。２００６年，我国掺镱双包层光纤激光器的输出功率首次达到千瓦级。２０１６年，中国电科第二十三研究所（简称中国电科２３所）下属的中国电科天之星激光技术（上海）有限公司（简称天之星公司）首次采用自主研发的２０／４００（即纤芯直径２０μｍ，包层直径４００μｍ）有源光纤、２０／４００无源光纤、泵浦合束器、输出头等核心器件实现１ｋＷ商用光纤激光器的量产，为２０／４００有源光纤等国产化高功率光纤与器件的大规模商用化打下了坚实的基础。次年，该公司采用自研器件实现了２ｋＷ光纤激光器商业化量产。近两年来，我国已陆续有光纤激光器万瓦激光输出的报道。图２示出了我国光纤激光器单纤单模激光功率Ｐ的提升情况（其中单纤单模数千瓦光纤激光器目前还处于演示样机水平，与长期可靠工作的应用级尚有差距）

2、高功率光纤激光器的技术演进

光纤激光器功率水平的提升主要借助于三方面的技术发展：ａ．光纤激光器结构的优化，使其可在降低系统温升的情况下提高输出功率；ｂ．有源光纤、泵浦源、合束器等光纤激光器核心器件的功率水平的提升，为激光器高功率输出提供了硬件保障；ｃ．光纤处理设备的升级，包括大芯径光纤切割刀、熔接机、再涂覆机等性能的提升，使得光纤熔接点的损耗、发热大幅降低，从而对提升激光器的损伤阈值有极大的益处。下文将对前两方面的技术演进进行介绍。

2.1 光纤激光器结构的优化

2.1.1 早期空间光泵浦结构

早期各种光纤激光器采用的都是空间光的泵浦与激光输出，功率提升较为缓慢，直至１９９９年才首次突破百瓦级的输出。该激光器的结构如图３所示，采用空间光 双向泵浦方式（利用一对双色镜（ＤＭ１与 ＤＭ２）构成谐振腔，激光最终从ＤＭ２输出）和模场直径９．２μｍ的双包层光纤，在１１２０ｎｍ的波长下获得110Ｗ的激光输出，斜率效率为５８．３％。然而，利用空间光进行光纤泵浦光、激光耦合的复杂程度较高，各种光学镜片搭建光路的难度较大，甚至激光器的搬移都会造成光路需要重新调节，这在很大程度上限制了光纤激光器的应用。

2.1.2 直接振荡器结构与ＭＯＰＡ结构

随着光纤器件的发展，光纤合束器、光纤光栅（ＦＢＧ）及包层功率剥离器（ＣＰＳ，包层光剥离器（ＣＬＳ））等取代了各种透镜、双色镜等，实现了全光纤结构的激光器，器件之间不再依赖于光学镜片间空间光的耦合而是通过光纤熔接实现耦合，大大简化了激光器的复杂度，并提升了激光器的可靠性与可维护性，为光纤激光器的实用提供了可能。

目前，全光纤结构的高功率光纤激光器主要有直接振荡器结构与主控振荡器功率放 大器（ＭＯＰＡ）结构两种。前者通过一对光纤光栅构成谐振腔，在振荡过程中由光栅进行波长选模，输出目标波长。后者则通过振荡器结构的激光器输出某一波长的激光作为种子光，该种子光在后一级的放大器（有源光纤与泵浦光的作用）中被功率放大形成更高功率的激光输出。虽然直接振荡器结构中振荡器输出的激光模式在空间分布上优于 ＭＯＰＡ，但谐振腔提升了激光功率密度，从而对有源光纤的损伤阈值要求较高，同时还受制于光纤光栅的功率承受水平。因此，在很长一段时 间内 ＭＯＰＡ 结构被认为是高功率输出的首选结构，但最近研究发现 ＭＯＰＡ结构在高功率下容易出现模式的空间分布不稳定，降低激光的亮度，阻碍了光纤激光器的高功率输出。

在高功率光纤激光器中采用的泵浦方式主要有前向泵浦与双向泵浦两种。相比于前向泵浦方式的单侧泵浦注入导致的高发热，双向泵浦方式可优化为双端泵浦的低发 热，有效分散光纤的发热。图４示出了采用前向泵浦方式与双向泵浦方式时沿光纤长度方向的光纤温度分布，可见采用前向泵浦方式时，泵浦注入端光纤最高温度达到85.7℃，而采用双向泵浦方式时，两个泵浦注入端光纤最高温度为62.1℃，显然光纤温度低更利于冲击高功率，并且失效几率大幅降低。２０１７年清华大学搭建了典型的ＭＯＰＡ结构的高功率光纤激光器，如图５所示，在其放大器部分采用了双向泵浦方式，最终实现了３．１ｋＷ 输出。

2.2 同带泵浦技术的发展

早期的掺镱光纤激光器主要采用９１５ｎｍ 或者 ９７５ｎｍ 作为泵浦光波长。由于这两个波长是镱离子的吸收峰，因此这种泵浦技术称之为直接泵浦，即由９×× ｎｍ波长经过有源光纤后输出１０６４ｎｍ、１０７０ｎｍ等波长的激光。然而，直接泵浦的量子亏损率比较高。量子亏损ｑ与量子亏损率ｑｒａｔｅ的计算方法为：

同带泵浦又称为级联泵浦，是指泵浦波长与发射波长较为接近，在电子跃迁时吸收与发射对应于同一个能带，量子亏损率更小。根据式（２）可计算得，当采用１０１８ｎｍ 作为泵浦波长时，输出１０７０ｎｍ 的量子亏损率将低于５％。因 此，先采用 ９７５ｎｍ 泵浦输出数值孔径在０．０７左右的有源光纤，使之发射高亮度１０１８ｎｍ 激光，再用此１０１８ｎｍ 激 光作为泵浦光输出１０６４ｎｍ、１０７０ｎｍ及１０８０ｎｍ等波长的激光。２０１７年，国防科技大学由此成功合成了５ｋＷ１０１８ｎｍ 的激光，并将其作为高亮度的泵浦源。ＩＰＧ 公司 由 此实现了１０ｋＷ 单纤单模输出光纤激光器（即 ＹＬＳ－１００００－ＳＭ 单模掺镱光纤激光器），如图６所示。可见，该激光器采用了ＭＯＰＡ结构，主控振荡器输出１ｋＷ 的种子光，通过将５７ 个２７０ Ｗ 的１０１８ｎｍ 泵浦源合束后再进行双向级联泵浦，最终得到１０ｋＷ的激光输出，该激光器输出的光谱主峰的３ｄＢ带宽（半高宽）为１０ｎｍ，且光谱无明显展宽、劣化。

2.3 有源光纤技术的发展

有源光纤是光纤激光器中的增益介质，其作用是将高数值孔径（例如纤芯数值孔径 为０．２２）的泵浦光转变为低数值孔径（例如纤芯数值孔径为０．０６）、高亮度的激光。有源光纤的性能直接影响着输出激光的质量，尤其是激光器在激光功率、斜率效率、非线性效应、模式不稳定性以及光子暗化效应等方面的表现。

有源光纤从早期的单包层变为双包层，同时从早期的小纤芯（纤芯直径通常低于１０μｍ）变为大纤芯（即大模场面积（ＬＭＡ）光纤）。自从 ＨｏｎｇＰｏ等人提出采用双包层光纤来克服单包层光纤耦合功率低的难题，极大地提高了有源光纤的 功率水平。图７示出了单包层有源光纤与双包层有源光纤中泵浦光转变为激光的工作原理。可见：ａ．单包层光纤的涂层折射率ｎｃｏａｔ＞包层折射率ｎｃｌａｄ，因此泵浦光只能在纤芯中传输，易受单位面积功率传输的限制，使得产生的激 光能量很低。ｂ．双包层光纤的外包层（内涂层）折射率ｎｏｕｔ－ｃｌａｄ＜内包层折射率ｎｉｎ－ｃｌａｄ，因此在波导结构上允许泵浦光从内包层中注入与传输，使得泵浦光传输通道的横截面极大提升。以６／１２５（即纤芯直径６μｍ，包层直径１２５μｍ）单包层有源光纤与２０／４００双包层有源光纤为例，前者的泵浦光传输（注入）通道横截面面积约为２８μｍ２，即便模场面积（模场直径１０μｍ 以内）也不足８０μｍ２，而后者的泵浦光传输（注入）通道横截面面 积 约 为１２５６００μｍ２，相比前者至少高出３个数量级，优势明显。

随着稀土掺杂工艺水平的提升，有源光纤的大模场面积获得实现。早期的稀土掺杂 系统较为简易，采用原料的纯度也偏低，加之对铝、磷等共掺原理的研究不够深入，使得 Ｙｂ３＋ 的掺杂浓度较低。近年来，随着汽相法、液相法、溶胶凝胶法以及纳米颗粒掺杂等工艺的不断成熟，稀土掺杂的浓度得到提升，即使Ｙｂ３＋的浓度（物质的量分数）高达１０００×１０－６（０．１％），也不会出现稀土离子团簇、失透的现象，且纤芯折射率分布更加合理，这使得光纤模场呈近似平顶分布，进一步提高了光纤的损伤阈值。图８示出了改进化学汽相法（ＭＣＶＤ）结合螯合物法进行 Ｙｂ３＋ 掺杂的工艺装置，与常规通信光纤预制棒制作工艺装置相比，该工艺装置增加了ＡｌＣｌ３ 以及镱螯合物 Ｙｂ（ｔｍｈｄ）３ 输入设备，所有原料在加热汽化后被氦气载入工艺管道，与Ｏ２、气态ＳｉＣｌ４混合后通过火焰喷灯加热在石英管内壁沉积并玻璃化。同时，高浓度的稀土离子及共掺元素的掺杂还能够保证光纤在１０８０ｎｍ的本底损耗低于１０ｄＢ／ｋｍ，甚至５ｄＢ／ｋｍ，这降低了光纤高功率失效的风险。目前，进口的２０／４００有源光纤（如图９所示）的功率水平约为３ｋＷ，一些纤芯直径３０μｍ 的有源光纤甚至可以实现万瓦输出。

2.4 泵浦源的发展

ＬＤ是将电能转换为光能的器件，由于其工作介质通常为砷化镓（ＧａＡｓ）、硫化镉（ＣｄＳ）、磷化铟（ＩｎＰ）及硫化锌（ＺｎＳ）等半导体材料，因此ＬＤ 又被成为半导体泵浦源。ＬＤ最为常见的封装形式是单管封装，通过采用多个单管进行线阵合束的方式可有效提高 ＬＤ 的整体输出功率。在十余年内，线阵封装的 ＬＤ输出功率获得了快速发展，从２０００年的２６７Ｗ（百 瓦 级）发展到 ２０１５ 年的１９８０ Ｗ（千瓦级）。通过对线阵的叠加，能够进一步形成迭阵封装方式，输出功率甚至可以达到６．３ｋＷ。此外，锁波长技术的成熟同样极大提升了 ＬＤ 的实用性。常规的 ＬＤ的输出波长会随着温度的变化出现漂移，温度漂移 系数约为０．３１ｎｍ／℃，这将影响有源光纤的泵浦吸收峰，不仅降低了激光器的效率，而且未吸收的泵浦光还会导致光路中的其他元器件损坏。目前，市售的几百瓦甚至数千瓦锁波长ＬＤ可以将温度漂移系数降低至０．０１ｎｍ／℃以内，已成为了９７５ｎｍ等波长泵浦冲击高功率的不可或缺的器件。同时，ＬＤ的输出光纤数值孔径也在不断优化，从之前的０．２２提升为目前的０．１５，甚至０．１３，为合束器有效接收更高功率泵浦光创造了有利的条件，使之可提升激光输出功率。

2.5 光纤合束器的发展

合束器的用途是将若干个 ＬＤ 泵浦源的功率汇聚至有源光纤。早期的合束器采用空间耦合的方式，最高实现了１．０１ｋＷ 的激光输出。由于空间耦合的稳定性较差，逐渐被采用锥形光纤束结构的光纤合束器取代，而后光纤合束器更是借助光纤切割刀、光纤熔接机等工艺设备性能的更新换代使得功率水平迅速提升，从百瓦级发展至目前的千瓦级。

图１０示出了典型的端面泵浦方式的（６＋１）×１光纤合束器，其由６根传能光 纤（６条泵浦臂）和中心１根无源光纤组成，传能光纤主要用于传输泵浦光，而无源光纤的包层传输泵浦光，其纤芯传输激光。当该光纤合束器传能光纤采用２００／２２０、输出兼容 ２０／４００ 有源光纤时，其单臂功率可以达到４００ Ｗ，泵浦耦合效率大于９９％，纤芯激光耦合效率９５％，由此实现了２．４ｋＷ的泵浦功率以及１ｋＷ 以上的纤芯激光传输。

图１１示出了典型的侧面泵浦方式的（２＋１）×１光纤合束器，２根泵浦纤拉锥后贴合在无源光纤上，因此无需将作为激光通道的光纤打断（减少了１个熔接点），理论上可实现１００％的纤芯激光耦合效率。目前，侧面泵浦（２＋１）×１光纤合束器亦已实现千瓦级功率传输。

3、高功率光纤激光器技术发展瓶颈

虽然高功率光纤激光器相关技术有了快速的发展，但如果希望获得更高的功率输出则目前仍然存在诸多技术瓶颈。相关研究表明，基于大模场掺镱石英光纤和二极管激光器泵浦的光纤激光器在理想的情况下最高可实现单纤单模输出功率为３６．６ｋＷ，但目前报道的光纤激光器输出功率远低于此。经研究，光纤激光器输出功率的受限因素主要包括泵浦功率、受激拉曼散射（ＳＲＳ）以及热透镜效应，如图１２所示。

ＳＲＳ是一种非线性效应，是光纤中的粒子受到高功率激光作用时表现出的拉曼散射现象，造成部分激光能量转变成波长更长的无用光，这些光的功率甚至可以超过激光，降低了激光器的有效输出功率。通常可以通过减少光纤长度以及增大纤芯尺寸来抑制ＳＲＳ。图６（ｂ）中１１２０ｎｍ 附近的光谱峰即是拉曼峰，峰高约为１０７３ｎｍ 主峰高的１／１０，可以认为这个ＳＲＳ抑制得较为成功。热透 镜效应则是由于半导体泵浦源在高功率时发热变形造成的透镜效应，从而限制了泵浦光的功率。抑制热透镜的手段之一是通过水冷的方式为泵浦源散热，通过降温提升热透镜效应的阈值功率。

此外，光纤激光器更高功率输出的技术瓶颈还包括横向模式不稳定性（ＴＭＩ）以及光子暗化效应。ＴＭＩ是指在高功率时激光中基模与高阶模之间会以毫秒级的周期进行相互转换，严重降低了光束质量。相关研究表明光纤发热是造成ＴＭＩ的主要原因，即所谓热致模式不稳定性。某些有源光纤的ＴＭＩ阈值为１ｋＷ左右，限制了更高的激光功率输出。对此，可采用同带泵浦技术以降低光纤发热，从而提升光纤的 ＴＭＩ阈值，也可通过降低光纤的纤芯尺寸以利于提升 ＴＭＩ的阈值，当然这同时可能降低了光纤的ＳＲＳ阈值。光子暗化效应主要表现为光纤激光器输出功率达到数百瓦或者数千瓦时，输出功率会出现较快下降，限制了激光器的输出功率水平。虽然目前对光子暗化效应的成因尚无定论，但主流观点认为是氧缺陷中心与电荷转移吸收带造成的，这些都直接与有源光纤相关。对此，提出的抑制光子暗化的方法也有多种，但从实用性的光纤工程化指标及应用角度而言，主要依靠对有源光纤的纤芯掺杂组分的优化，即镱、铝、磷、铈等元素的配比的优化。目前，对于能够保持３ｋＷ 以上连续数小时稳定功率输出或者１ｋＷ 左右连续百小时稳定功率输出的光纤激光器，则可认为其光子暗化抑制得较为成功。

4、总 结

２０１７年，全球光纤激光器市场为２０．３９亿美元，预计２０２１年将增至２８．８５亿美元。从ＩＰＧ 公司的销售数据来看，其高功率光纤激光器销售额将达８．６７亿美元，约占其光纤激光器销售额的７１％，且增速接近５０％。由此，可以预计未来高功率光纤激光器仍然是光纤激光器市场的主力军，提升光纤激光器的输出功率是占据未来市场必要条件。

对于单纤单模光纤激光器，在确保光束质量因子的前提下进一步提升输出功率仍是大趋势，主要途径是选用性能更佳的光纤器件并更加科学地对器件进行设计整合，从而实现高功率、高亮度的激光输出。总体上，单台光纤激光器的输出能力是有限的，因此激光合束方式（即将多台高功率光纤激光器输出的激光合束后形成更高功率且高光束质量的激光）已成为提高光纤激光器输出能力的有效途径。常用的合束方式有非相干组束合成、光谱合成激光光束以及激光相干合成，合束后的激光功率往往可以达到数万瓦甚至更高。对于工业用的多模光纤激光器，由于大多数情况下输出的激光不需要具备非常高的光束质量，因此通常采用２路、４路、７路与１９路等多路单模或多模激光利用大芯径光纤合束器进行合束多模输出，通常输出光纤的纤芯直径在１００μｍ以上。我国万瓦多模光纤激光器以及ＩＰＧ公司的数十万瓦多模光纤激光器就是采用上述合束方式实现多模输出的。返回搜狐，查看更多