光纖激光器結構緊湊、電光效率高，一個重要的原因是采用半導體激光器作為泵浦源。半導體激光器采用PN結作為發(fā)光光源，電泵浦直接出光，電光效率在50%左右。目前單芯片出光功率已經(jīng)突破20W，采用空間合成、偏振合成和光譜合成等多種方式進一步提升功率至數(shù)百瓦。合成之后的半導體激光通過透鏡耦合進入輸出尾纖，并經(jīng)合束器進入激光器。
目前摻鐿光纖激光器主要的泵浦波長有三種，即915nm、976nm和1018nm，其中前兩種主要在工業(yè)產(chǎn)品中使用，最后一種則用于超高單纖功率科研產(chǎn)品中。摻鐿光纖激光器的泵浦波長的選擇主要是由摻鐿光纖（YDF）的吸收發(fā)射譜所決定的，如圖1所示。
圖1 摻鐿光纖吸收發(fā)射譜
可見，YDF在915nm附近和976nm附近各有一個吸收峰，其中915nm的吸收峰的吸收截面為976nm吸收峰的1/3，而915nm吸收峰的寬度則遠大于976nm吸收峰。吸收峰的特征也決定了為何工業(yè)激光器絕大部分采用915nm而非976nm作為泵浦源。一方面，半導體激光芯片在制造過程中，冷波長（低功率工作的波長）存在一定的分布，一般在數(shù)10nm左右，如果采用976nm吸收峰，則需要對激光芯片的波長進行篩選，導致良率下降，成本上升。另一方面，半導體激光器的輸出波長隨著其溫度（與散熱溫度、工作電流和功率有關）正相關，即溫度越高，波長向長波方向漂移，每度漂移量在0.3nm，因此如果采用976nm泵浦，則對激光器的冷卻和溫控提出很高的要求。915nm泵浦雖然吸收強度只有976nm泵浦的1/3，導致915nm泵浦激光器所使用的YDF長度為976nm的3倍，但是激光器設計更為簡單，也更為可靠皮實。
976nm泵浦在科研機構的研究中一直是主流技術路線，主要采用進口的976nm泵浦源，甚至是波長鎖定泵浦源，即通過在半導體激光器合成光路插入反饋波長的光柵以穩(wěn)定輸出波長和壓窄線寬。這類泵浦源成本很高，不適合于對成本要求極高的工業(yè)激光領域。
近年來，隨著976nm芯片和封裝技術的日漸成熟，特別是國內(nèi)多年來光纖激光研究成果的外溢，976nm泵浦技術在工業(yè)領域也逐漸開始大規(guī)模應用。特別是對于水冷超高功率激光器，逐漸稱為一種技術趨勢。原因包括：
（1）976nm泵浦相比915nm泵浦量子效率高了近10%，使得系統(tǒng)具有更高的電光效率，也就是說同等輸出功率，所用的泵浦功率可以減少10%，有利于成本控制；
（2）由于連續(xù)激光器單位功率售價的不斷降低，泵浦源成本占比逐漸下降，而增益光纖的成本占比有上升趨勢，976nm泵浦相比915nm只需要用1/3的光纖長度，降低了光纖材料的成本，光纖長度的縮短使得激光器的整體構造也會更為小巧緊湊，同時對于高功率激光器，非線性效應也得到了有效的抑制；
（3）根據(jù)激光動力學過程和YDF的吸收發(fā)射譜數(shù)據(jù)，976nm泵浦時上能級粒子布居數(shù)水平要遠低于915nm泵浦，使得YDF光暗化的風險下降，對于長時間工作的工業(yè)激光器，穩(wěn)定性得到提高。
當然，976nm泵浦也存在一定的風險和問題：
（1）對冷水機溫控精度要求更高，因為工業(yè)產(chǎn)品不可能采用成本高昂的976nm波長鎖定的泵浦源；
（2）高功率單模產(chǎn)品的模式不穩(wěn)定受限，由于單位長度吸收泵浦光的功率更高，熱負載更高，在功率高到一定程度時會導致TMI，使得輸出激光的M2顯著劣化；
（3）集成工藝難度增加，關鍵熔點的處理難度加大，以保證在較高的熱負載條件下能夠穩(wěn)定可靠工作。
在實際的應用中，特別是不單單關注功率的場合，需要考慮的因素還很多，需要綜合權衡選擇合適的泵浦方案。光至科技研發(fā)的2kW到5kW級高功率窄線寬單模連續(xù)激光器會根據(jù)不同的應用場景的需求，包括功率、光譜、光束質量以及非線性等綜合要求，選擇優(yōu)化的泵浦方案。
實際上，除了915nm和976nm兩個波長，940nm和960nm波長的泵浦源也經(jīng)常在光纖激光器中使用。這種波長泵浦源的選擇往往跟增益光纖的選型有關，對于一些摻磷的YDF，其吸收發(fā)射譜形態(tài)可能發(fā)生變化，如圖2所示。此時915nm的吸收峰變得不明顯，較長的泵浦波長有助于提高激光轉換效率。
圖2 摻磷YDF的吸收發(fā)射譜
然而，隨著激光器功率的不斷提升，常規(guī)的半導體泵浦亮度已經(jīng)很難滿足要求超高功率單纖輸出的要求，IPG于是提出了基于1018nm級聯(lián)泵浦方案，并基于此方案實現(xiàn)了單纖20kW的功率輸出。1018nm級聯(lián)泵浦的基本思路是，先利用976nm的半導體激光泵浦產(chǎn)生1018nm激光，將激光亮度提升數(shù)個量級，然后再將1018nm激光進行合束，并用于泵浦1080nm的激光，單纖激光器功率提升的泵浦亮度限制被打開。
光至科技開發(fā)了基于976nm泵浦的300W到500W的1018nm激光器模塊，并基于此模塊開發(fā)了5kW~8kW量級的1018nm泵浦模塊，適用于作為大型科研激光裝置的泵浦源。
光纖激光器的功率提升之路還在持續(xù)，適用的工作場景越來越多，工程化程度也越來越高，市場前景廣闊，大有可為。這些成果的取得一方面得益于我國在高功率光纖激光器領域研發(fā)的持續(xù)大量的投入，突破了關鍵材料、器件和系統(tǒng)的核心技術，培養(yǎng)了一批專業(yè)人才，另一方面得益于近年來光纖激光器在工業(yè)領域的大規(guī)模應用，使得整個產(chǎn)業(yè)鏈更為完整，規(guī)?；瘍?yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。
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