圖 光纖激光器的原理及覆蓋波長(zhǎng)
0到百瓦發(fā)展了近四十年
目前，采用不同離子摻雜的光纖作為增益介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)從1~5 μm的全波段覆蓋；采用拉曼和非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)紫外光、可見(jiàn)光和紅外線的高功率、高亮度的激光輸出。實(shí)際上早在1961年，美國(guó)科學(xué)家E.Snitzer就提出在激光腔內(nèi)使用稀土摻雜光纖可以得到穩(wěn)定的單模激光輸出，但是受限于光纖制作和抽運(yùn)光源，未能得到快速發(fā)展。
20世紀(jì)70到80年代是半導(dǎo)體激光器和光纖拉制工藝快速發(fā)展的二十年，得益于氣相沉積的現(xiàn)代化工藝和能在室溫下工作的半導(dǎo)體抽運(yùn)源，單模光纖激光器的研究工作逐步展開(kāi)。但此時(shí)光纖的信號(hào)光和抽運(yùn)光皆在纖芯中傳輸，將低亮度的半導(dǎo)體激光高效耦合到直徑幾微米的纖芯里較為困難，所以，光纖激光器在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)只能產(chǎn)生毫瓦級(jí)的激光輸出。
1988年，雙包層光纖出現(xiàn)，使光纖激光器的輸出功率得到明顯提升。典型的雙包層光纖結(jié)構(gòu)包括纖芯、內(nèi)包層和外包層三部分，外包層折射率低于內(nèi)包層，因此抽運(yùn)光可以在內(nèi)包層中傳輸。內(nèi)包層的直徑和數(shù)值孔徑可遠(yuǎn)大于纖芯，便于高效耦合抽運(yùn)光。抽運(yùn)光在內(nèi)包層里經(jīng)多次全反射后，進(jìn)入摻稀土離子的纖芯被吸收，實(shí)現(xiàn)激光的產(chǎn)生或放大。包層抽運(yùn)技術(shù)的出現(xiàn)使光纖激光器輸出功率實(shí)現(xiàn)了由毫瓦級(jí)到瓦量級(jí)的提升。
圖 雙包層光纖示意圖
20世紀(jì)90年代，隨著9xx nm高功率半導(dǎo)體激光器和雙包層光纖制造工藝的發(fā)展，光纖激光器的輸出功率得到了迅速提升。90年代末，大模場(chǎng)光纖的研制促進(jìn)了激光功率進(jìn)一步提升。使用大模場(chǎng)面積光纖的同時(shí)采取一定的模式控制，使激光在大芯徑的多模光纖中單模運(yùn)轉(zhuǎn)，可以大大提高非線性效應(yīng)的閾值。該技術(shù)在1999年順利實(shí)現(xiàn)了100 W單模連續(xù)激光輸出。
千瓦級(jí)的突破促生繁榮市場(chǎng)
2004年，南安普敦大學(xué)的Jeong等世界上首次實(shí)現(xiàn)了千瓦級(jí)光纖激光輸出。他們利用975 nm LD雙端抽運(yùn)纖芯直徑43 μm的雙包層摻鐿光纖，產(chǎn)生了1.01 kW的1090 nm激光輸出。同年，進(jìn)一步優(yōu)化激光器參數(shù)并繼續(xù)增加抽運(yùn)功率，使激光器的輸出功率提高到了1.36 kW，由于減小了摻鐿光纖的纖芯直徑和數(shù)值孔徑，輸出激光的光束質(zhì)量得到了明顯改善（M2=1.4）。
千瓦級(jí)光纖激光器的出現(xiàn)使得高功率光纖激光真正走向了應(yīng)用市場(chǎng)，各研究單位、創(chuàng)業(yè)公司如雨后春筍般出現(xiàn)，呈現(xiàn)出欣欣向榮的景象。2012年，IPG曾報(bào)道了20 kW的單模和100 kW的多模光纖激光器，這也是目前光纖激光激光器的最大功率。
我國(guó)的高功率光纖激光器研發(fā)起步較晚，但發(fā)展迅速。2001年中科院上海光機(jī)所在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了高功率光纖激光技術(shù)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，2005年率先突破千瓦大關(guān)獲得單纖連續(xù)激光1.05 kW的輸出，并在2009年利用國(guó)產(chǎn)光纖實(shí)現(xiàn)1.75 kW功率輸出。隨后清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、西安光機(jī)所、銳科、創(chuàng)鑫、飛博等多家單位也實(shí)現(xiàn)了千瓦和數(shù)千瓦級(jí)的激光輸出。
中科院上海光機(jī)所在國(guó)內(nèi)也率先開(kāi)展了光纖激光相干合成和光譜合成技術(shù)研究。2006年，利用自成像結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相干合成，隨后，國(guó)際上首次利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二維光纖激光相干合成。“十二五”期間就率先開(kāi)展光纖激光光譜合成技術(shù)研究，并率先采用光譜合成技術(shù)突破10 kW大關(guān)，引領(lǐng)高功率光纖激光技術(shù)的發(fā)展潮流。
圖 IPG十千瓦光纖結(jié)構(gòu)
以近衍射極限的單模摻Y(jié)b3+光纖激光器功率發(fā)展情況為例（如下圖），經(jīng)預(yù)測(cè)，如果光纖的模場(chǎng)面積能夠合理地增加，采用二極管直接抽運(yùn)，從單纖激光器或放大器中可得到36 kW的近衍射極限輸出，采用同帶抽運(yùn)能夠提升輸出功率到67 kW甚至更高到97 kW，接近100 kW量級(jí)。提升功率到這樣超高量級(jí)將涉及超大直徑的光纖拉制和穩(wěn)定的單模操作，具有很大的挑戰(zhàn)性。
盡管摻鐿光纖激光器的輸出功率已突破10 kW，但目前光纖激光器的功率提升依然受到抽運(yùn)光亮度、熱效應(yīng)、非線性效應(yīng)和模式不穩(wěn)定的限制。如何設(shè)計(jì)新穎的光纖結(jié)構(gòu)，發(fā)展低損耗的光纖器件，提高抽運(yùn)二極管的亮度，優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)，改變傳統(tǒng)的抽運(yùn)方式是未來(lái)光纖激光器發(fā)展的主流趨勢(shì)。
圖 高功率包層抽運(yùn)的摻Y(jié)b3+光纖激光器的功率提升。圖中同時(shí)涵蓋了多模光纖激光器（MM），二極管直接抽運(yùn)（SM-DP）激光器和同帶級(jí)聯(lián)抽運(yùn)（SM-TP)的激光器功率提升情況。
需求驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展、市場(chǎng)變動(dòng)
高功率光纖激光技術(shù)飛速發(fā)展的一個(gè)巨大動(dòng)因是工業(yè)制造和國(guó)防應(yīng)用的需求驅(qū)動(dòng)。
光纖激光器按照輸出功率可分為三個(gè)層次：低功率光纖激光器（<100 W）主要用于激光打標(biāo)、鉆孔、精密加工以及金屬雕刻等；中功率光纖激光器（<1.5 kW）主要用于金屬材料的焊接和切割，金屬表面的翻新處理；高功率光纖激光器（>1.5 kW）主要用于厚金屬板的切割、特殊板材的三維加工等。
高功率光纖激光器還有一項(xiàng)重要的工業(yè)應(yīng)用，是天然氣鉆探和深海新能源的獲取。美國(guó)氣體開(kāi)發(fā)技術(shù)研究所使用IPG公司的5 kW光纖激光器對(duì)巖石進(jìn)行了切割及粉碎實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的方法相比，采用光纖激光器穿透的孔眼更深，能夠降低損害并提高產(chǎn)量。目前，高功率光纖激光器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于其生產(chǎn)力和成本優(yōu)勢(shì)，逐漸取代了以往其它種類的激光器。
圖 各類光纖激光器在能量需求上和進(jìn)行巖石去除所需能量的對(duì)比（HPFL:高功率光纖激光器）
2016年，全球激光器總銷(xiāo)售額為104億美元，其中千瓦級(jí)高功率激光加工市場(chǎng)占據(jù)了15億美元，高功率光纖激光器在激光加工市場(chǎng)備受矚目。同時(shí)，2016年也是全球光纖激光產(chǎn)業(yè)整合并購(gòu)的大年，有相干公司和羅芬公司的聯(lián)姻、昂納科技收購(gòu)ITF公司進(jìn)軍光纖激光產(chǎn)業(yè)、NKT收購(gòu)Fianium公司、大族激光收購(gòu)光纖制造廠商Coractive、DILAs與m2k-Laser公司的合并等等。
各大公司開(kāi)始整合光纖激光制造涉及的各個(gè)方面，力求把光纖激光核心器件的研發(fā)與生產(chǎn)牢牢掌控在自己手中，同時(shí)最大限度的降低成本，以期獲得更高的商業(yè)利潤(rùn)。
圖 光纖在工業(yè)加工方面的應(yīng)用
隨著市場(chǎng)應(yīng)用的推動(dòng)和國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃，近年，受?chē)?guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金、國(guó)家863計(jì)劃、科技部重點(diǎn)專項(xiàng)、以及各地方政府的重視，我國(guó)對(duì)光纖激光技術(shù)前沿探索、成果轉(zhuǎn)化、和產(chǎn)業(yè)升級(jí)均大力支持，國(guó)產(chǎn)高功率光纖激光器的研究和產(chǎn)業(yè)化也得到了快速發(fā)展。
目前，國(guó)產(chǎn)千瓦級(jí)以下光纖激光器的銷(xiāo)量，已經(jīng)以壓倒性的優(yōu)勢(shì)超越了進(jìn)口產(chǎn)品，而且價(jià)格也大幅下降，基本實(shí)現(xiàn)了全國(guó)產(chǎn)化批量生產(chǎn)。然而高功率光纖激光器的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)情況截然不同，由于核心材料和器件受限等原因，目前仍處于關(guān)鍵技術(shù)和工程化研發(fā)階段，主要由進(jìn)口產(chǎn)品主導(dǎo)，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量稀少。中國(guó)高功率光纖激光器產(chǎn)業(yè)化還有很長(zhǎng)的路要走。
國(guó)外國(guó)防應(yīng)用需求是重要推手
歐美、俄羅斯等軍事強(qiáng)國(guó)非常重視高功率光纖激光器的國(guó)防應(yīng)用，這成為了高功率光纖激光技術(shù)迅速發(fā)展的重要推手。光纖激光器除了光束質(zhì)量好，亮度高外，其效率高、產(chǎn)熱少、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固且緊湊，激光通過(guò)光纖傳輸?shù)焦馐铣傻谋憷砸彩瞧鋬?yōu)勢(shì)。目前，國(guó)外很多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展光纖激光器反簡(jiǎn)易爆炸裝置、迫擊炮彈和對(duì)抗無(wú)人機(jī)等目標(biāo)的研究的報(bào)道，裝載平臺(tái)也呈現(xiàn)多樣化。
圖 LAWs激光系統(tǒng)和洛克馬丁公司的30kW激光器擊打無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)
早在2004年，美國(guó)SPATA公司將2 kW多模光纖激光器安裝到“宙斯”激光掃雷系統(tǒng)中，在阿富汗成功執(zhí)行了掃雷任務(wù)；2010年，美國(guó)海軍進(jìn)行了光纖激光近防系統(tǒng)(LAWs)的試驗(yàn)，LAWs以非相干合成的方式實(shí)現(xiàn)了33 kW的最大功率輸出，在隨后的試驗(yàn)中，其在3.2 km的距離連續(xù)擊落了4架時(shí)速為300多公里的無(wú)人機(jī)；2015年，美國(guó)洛克希德·馬丁公司采用30 kW的光纖激光組束系統(tǒng)成功摧毀了一英里外的激光引擎；2017年在陸軍白沙靶場(chǎng)擊落了5架翼展3.3 m的“法外狂徒”系統(tǒng)無(wú)人機(jī)，其集中光束打擊和執(zhí)行速度比之前的激光束快了兩倍。
總而言之，大力發(fā)展高功率光纖激光技術(shù)將滿足新時(shí)期新環(huán)境下眾多領(lǐng)域?qū)Ω吡炼燃す獾男枨螅瑢?duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全具有重要意義。
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