高功率光纤激光 前景可能远超你的想象 —— 文章正文2018-01-02

    高功率光纤激光技术是近年来光电子技术领域，特别是激光技术领域炙手可热的研究方向之一，已在工业制造、医疗、能源勘探、军事国防等领域获得了广泛应用。从整个高功率激光行业的发展趋势来看，光纤激光融合了光纤的波导特性和半导体的抽运特性，具有光束质量好、效率高、散热性好、结构紧凑、柔软性操作等突出优点，代表了高功率、高亮度激光的发展方向。

    图光纤激光器的原理及覆盖波长

    0到百瓦发展了近四十年

    目前，采用不同离子掺杂的光纤作为增益介质，可以实现从1~5μm的全波段覆盖；采用拉曼和非线性频率转换技术，可以实现紫外光、可见光和红外线的高功率、高亮度的激光输出。实际上早在1961年，美国科学家E.Snitzer就提出在激光腔内使用稀土掺杂光纤可以得到稳定的单模激光输出，但是受限于光纤制作和抽运光源，未能得到快速发展。

    20世纪70到80年代是半导体激光器和光纤拉制工艺快速发展的二十年，得益于气相沉积的现代化工艺和能在室温下工作的半导体抽运源，单模光纤激光器的研究工作逐步展开。但此时光纤的信号光和抽运光皆在纤芯中传输，将低亮度的半导体激光高效耦合到直径几微米的纤芯里较为困难，所以，光纤激光器在很长时间内只能产生毫瓦级的激光输出。

    1988年，双包层光纤出现，使光纤激光器的输出功率得到明显提升。典型的双包层光纤结构包括纤芯、内包层和外包层三部分，外包层折射率低于内包层，因此抽运光可以在内包层中传输。内包层的直径和数值孔径可远大于纤芯，便于高效耦合抽运光。抽运光在内包层里经多次全反射后，进入掺稀土离子的纤芯被吸收，实现激光的产生或放大。包层抽运技术的出现使光纤激光器输出功率实现了由毫瓦级到瓦量级的提升。

    图双包层光纤示意图

    20世纪90年代，随着9xxnm高功率半导体激光器和双包层光纤制造工艺的发展，光纤激光器的输出功率得到了迅速提升。90年代末，大模场光纤的研制促进了激光功率进一步提升。使用大模场面积光纤的同时采取一定的模式控制，使激光在大芯径的多模光纤中单模运转，可以大大提高非线性效应的阈值。该技术在1999年顺利实现了100W单模连续激光输出。

    千瓦级的突破促生繁荣市场

    2004年，南安普敦大学的Jeong等世界上首次实现了千瓦级光纤激光输出。他们利用975nmLD双端抽运纤芯直径43μm的双包层掺镱光纤，产生了1.01kW的1090nm激光输出。同年，进一步优化激光器参数并继续增加抽运功率，使激光器的输出功率提高到了1.36kW，由于减小了掺镱光纤的纤芯直径和数值孔径，输出激光的光束质量得到了明显改善(M2=1.4)。

    千瓦级光纤激光器的出现使得高功率光纤激光真正走向了应用市场，各研究单位、创业公司如雨后春笋般出现，呈现出欣欣向荣的景象。2012年，IPG曾报道了20kW的单模和100kW的多模光纤激光器，这也是目前光纤激光激光器的最大功率。

    我国的高功率光纤激光器研发起步较晚，但发展迅速。2001年中科院上海光机所在国内率先开展了高功率光纤激光技术的理论与实验研究，2005年率先突破千瓦大关获得单纤连续激光1.05kW的输出，并在2009年利用国产光纤实现1.75kW功率输出。随后清华大学、国防科技大学、西安光机所、锐科、创鑫、飞博等多家单位也实现了千瓦和数千瓦级的激光输出。

    中科院上海光机所在国内也率先开展了光纤激光相干合成和光谱合成技术研究。2006年，利用自成像结构实现相干合成，随后，国际上首次利用该技术实现了二维光纤激光相干合成。“十二五”期间就率先开展光纤激光光谱合成技术研究，并率先采用光谱合成技术突破10kW大关，引领高功率光纤激光技术的发展潮流。

    图IPG十千瓦光纤结构

    以近衍射极限的单模掺Yb3+光纤激光器功率发展情况为例(如下图)，经预测，如果光纤的模场面积能够合理地增加，采用二极管直接抽运，从单纤激光器或放大器中可得到36kW的近衍射极限输出，采用同带抽运能够提升输出功率到67kW甚至更高到97kW，接近100kW量级。提升功率到这样超高量级将涉及超大直径的光纤拉制和稳定的单模操作，具有很大的挑战性。

    尽管掺镱光纤激光器的输出功率已突破10kW，但目前光纤激光器的功率提升依然受到抽运光亮度、热效应、非线性效应和模式不稳定的限制。如何设计新颖的光纤结构，发展低损耗的光纤器件，提高抽运二极管的亮度，优化散热结构，改变传统的抽运方式是未来光纤激光器发展的主流趋势。

    图高功率包层抽运的掺Yb3+光纤激光器的功率提升。图中同时涵盖了多模光纤激光器(MM)，二极管直接抽运(SM-DP)激光器和同带级联抽运(SM-TP)的激光器功率提升情况。

    需求驱动技术发展、市场变动

    高功率光纤激光技术飞速发展的一个巨大动因是工业制造和国防应用的需求驱动。

    光纤激光器按照输出功率可分为三个层次：低功率光纤激光器(<100W)主要用于激光打标、钻孔、精密加工以及金属雕刻等；中功率光纤激光器(<1.5kW)主要用于金属材料的焊接和切割，金属表面的翻新处理；高功率光纤激光器(>1.5kW)主要用于厚金属板的切割、特殊板材的三维加工等。

    高功率光纤激光器还有一项重要的工业应用，是天然气钻探和深海新能源的获取。美国气体开发技术研究所使用IPG公司的5kW光纤激光器对岩石进行了切割及粉碎实验，与传统的方法相比，采用光纤激光器穿透的孔眼更深，能够降低损害并提高产量。目前，高功率光纤激光器已广泛应用于工业领域，由于其生产力和成本优势，逐渐取代了以往其它种类的激光器。

    图各类光纤激光器在能量需求上和进行岩石去除所需能量的对比(HPFL:高功率光纤激光器)

    2016年，全球激光器总销售额为104亿美元，其中千瓦级高功率激光加工市场占据了15亿美元，高功率光纤激光器在激光加工市场备受瞩目。同时，2016年也是全球光纤激光产业整合并购的大年，有相干公司和罗芬公司的联姻、昂纳科技收购ITF公司进军光纤激光产业、NKT收购Fianium公司、大族激光收购光纤制造厂商Coractive、DILAs与m2k-Laser公司的合并等等。

    各大公司开始整合光纤激光制造涉及的各个方面，力求把光纤激光核心器件的研发与生产牢牢掌控在自己手中，同时最大限度的降低成本，以期获得更高的商业利润。

    随着市场应用的推动和国家战略规划，近年，受国家自然科学重点基金、国家863计划、科技部重点专项、以及各地方政府的重视，我国对光纤激光技术前沿探索、成果转化、和产业升级均大力支持，国产高功率光纤激光器的研究和产业化也得到了快速发展。

    目前，国产千瓦级以下光纤激光器的销量，已经以压倒性的优势超越了进口产品，而且价格也大幅下降，基本实现了全国产化批量生产。然而高功率光纤激光器的国内市场情况截然不同，由于核心材料和器件受限等原因，目前仍处于关键技术和工程化研发阶段，主要由进口产品主导，国产产品数量稀少。中国高功率光纤激光器产业化还有很长的路要走。

    国外国防应用需求是重要推手

    欧美、俄罗斯等军事强国非常重视高功率光纤激光器的国防应用，这成为了高功率光纤激光技术迅速发展的重要推手。光纤激光器除了光束质量好，亮度高外，其效率高、产热少、结构坚固且紧凑，激光通过光纤传输到光束合成的便利性也是其优势。目前，国外很多研究机构已经开展光纤激光器反简易爆炸装置、迫击炮弹和对抗无人机等目标的研究的报道，装载平台也呈现多样化。

    图LAWs激光系统和洛克马丁公司的30kW激光器击打无人机实验

    早在2004年，美国SPATA公司将2kW多模光纤激光器安装到“宙斯”激光扫雷系统中，在阿富汗成功执行了扫雷任务；2010年，美国海军进行了光纤激光近防系统(LAWs)的试验，LAWs以非相干合成的方式实现了33kW的最大功率输出，在随后的试验中，其在3.2km的距离连续击落了4架时速为300多公里的无人机；2015年，美国洛克希德・马丁公司采用30kW的光纤激光组束系统成功摧毁了一英里外的激光引擎；2017年在陆军白沙靶场击落了5架翼展3.3m的“法外狂徒”系统无人机，其集中光束打击和执行速度比之前的激光束快了两倍。

    总而言之，大力发展高功率光纤激光技术将满足新时期新环境下众多领域对高亮度激光的需求，对国民经济和国家安全具有重要意义。

    (原标题：高功率光纤激光前景可能远超你的想象)

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