本文作者楊昌盛1, 徐善輝1, 周軍2, 何兵2, 楊依楓2, 渠紅偉3, 趙智德4, 楊中民1，由激光行業(yè)觀察整理，僅供交流學(xué)習(xí)之用，感謝分享！

1. 華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國家重點實驗室, 廣州 510640;

2.中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所上海市全固態(tài)激光器與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室, 上海 201800;

3. 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所固態(tài)光電信息技術(shù)實驗室, 北京 100083;

4. 蘇州長光華芯光電技術(shù)有限公司, 蘇州 215000;

一、引言

大功率光纖激光器是以稀土離子摻雜雙包層光纖為工作介質(zhì)的一種新型全固態(tài)激光器。相比于傳統(tǒng)固體激光器而言, 其具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、易于散熱等明顯優(yōu)勢, 在先進(jìn)制造業(yè)、軍事國防、科研、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景,是國際上激光技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。得益于雙包層光纖拉制技術(shù)與大功率半導(dǎo)體激光器制作工藝的不斷發(fā)展與完善, 光纖激光器的轉(zhuǎn)換效率與輸出功率獲得大幅度提升。

尤其在工業(yè)加工、定向能武器、長距離遙測、激光雷達(dá)等應(yīng)用需求的牽引下, 以美國IPGPhotonics公司、Nufern公司、nLIGHT公司、英國SPI公司和德國通快集團(tuán)等為代表的國外研究機(jī)構(gòu)、企業(yè), 紛紛對大功率光纖激光器進(jìn)行積極研發(fā), 相繼推出了連續(xù)波功率從數(shù)十瓦到數(shù)萬瓦的商用化光纖激光器產(chǎn)品, 并且部分產(chǎn)品對我國實行限制性出口或者禁運?？梢园l(fā)現(xiàn), 激光及其激光技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用, 極大地促進(jìn)了人類生產(chǎn)力的蓬勃發(fā)展, 深刻地影響了人們生活的方方面面。

其中, 激光制造具有非接觸、超精細(xì)、快速、無應(yīng)力等優(yōu)勢, 正推動著傳統(tǒng)制造向智能制造的轉(zhuǎn)型, 以“光制造”為代表的新技術(shù)對工業(yè)制造帶來了革命性變革, 而萬瓦級大功率光纖激光作為高端激光制造的核心光源, 極其重要。目前, 實現(xiàn)萬瓦級乃至數(shù)萬瓦級單模光纖激光的主要技術(shù)方式包括兩種: (1) 直接單根光纖輸出; (2) 激光合束輸出。前者是將一定功率(千瓦量級)光纖激光器作為種子源, 通過單根高性能摻Y(jié)b3+雙包層光纖直接將功率放大至萬瓦級甚至更高功率, 由于受到非線性效應(yīng)、泵浦源亮度、光纖材料和器件本身損傷等一些因素的限制, 單根光纖激光的輸出功率畢竟有限, 其寬譜、嚴(yán)格單模輸出時的理論極限功率約為13 kW。后者是將多路光纖激光通過相干合束或者光譜合束的方式, 產(chǎn)生高光束質(zhì)量的激光輸出。早在2013年, 美國IPG Photonics公司用半導(dǎo)體激光器(LD)進(jìn)行端面泵浦(圖1(a)), 實現(xiàn)了當(dāng)前最高功率20 kW近單模(M2小于2)激光輸出。2014年, 美國洛克希德馬丁公司采用光譜合束技術(shù)實現(xiàn)了33 kW輸出; 至2016年, 美國空軍實驗室采用相干合成技術(shù)實現(xiàn)了4.9 kW單模輸出。

國內(nèi)科研院所與企業(yè)也積極開展了大功率光纖激光的研究, 其中中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所(簡稱中科院上海光機(jī)所)、清華大學(xué)分別基于LD端面泵浦, 實現(xiàn)了單纖7和10 kW輸出; 國防科技大學(xué)和中國工程物理研究院用分布式側(cè)面耦合包層泵浦(GT-wave泵浦, 如圖1(b)所示), 于2014和2015年分別實現(xiàn)了1和2 kW輸出; 中科院上海光機(jī)所和中國工程物理研究院采用光譜合成技術(shù)分別實現(xiàn)了10.8和9.6 kW輸出; 國防科技大學(xué)采用相干合成技術(shù)實現(xiàn)了功率2.16 kW單模激光輸出。此外, 國內(nèi)能夠研發(fā)、生產(chǎn)、銷售大功率光纖激光器的代表性企業(yè)主要包括：武漢銳科公司和深圳創(chuàng)鑫公司。其中武漢銳科公司推出了輸出功率涵蓋1~10 kW的大功率連續(xù)多模光纖激光器產(chǎn)品; 深圳創(chuàng)鑫公司也推出了連續(xù)功率1.5 kW單模光纖激光器和4 kW多模光纖激光器產(chǎn)品。

通過對比國內(nèi)外的研究結(jié)果, 可以發(fā)現(xiàn): 國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對于大功率光纖激光剛剛邁入萬瓦級功率的門檻, 且停留在實驗樣機(jī)的狀態(tài), 對于商品化產(chǎn)品跟國外研究機(jī)構(gòu)或激光器廠商的差距較大。究其原因, 我國在萬瓦級光纖激光技術(shù)方面的落后主要源于在高增益光纖材料與元件、高質(zhì)量激光泵源、高性能激光種子源等技術(shù)的落后和進(jìn)口的限制, 使得國產(chǎn)萬瓦級大功率光纖激光存在以下技術(shù)瓶頸: (1) 高增益雙包層光纖的稀土離子摻雜均勻性差導(dǎo)致增益不均衡,在大功率激光輸出時存在一定損傷和暗化效應(yīng); (2) 大功率下光纖光柵退化與損傷、合束器與包層光剝離器承受激光功率較低, 無法滿足萬瓦級激光的工作要求; (3) 激光泵源的輸出功率與亮度不高, 與光纖耦合效率較低, 導(dǎo)致大功率光纖激光器的插拔效率較低;(4) 用于大功率激光合束的單頻激光種子源功率低、噪聲高, 導(dǎo)致合束后激光質(zhì)量差、激光功率無法提升。

因此, 亟待發(fā)展新型萬瓦級光纖激光材料和器件,突破其關(guān)鍵技術(shù), 實現(xiàn)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化高增益光纖、光器件、高亮度泵浦源、高性能種子源等, 打破國外技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷，為我國單路萬瓦級高功率光纖激光的國產(chǎn)化提供基礎(chǔ)支撐, 為未來萬瓦以上更高功率光纖激光鋪平道路, 最終能夠?qū)ξ覈呒夹g(shù)產(chǎn)業(yè)和國防建設(shè)的可持續(xù)化發(fā)展產(chǎn)生重大意義.

本文主要從構(gòu)筑與制約萬瓦級光纖激光的關(guān)鍵部分——光纖激光材料與器件出發(fā), 介紹了近年來高增益光纖材料與元件、高質(zhì)量激光泵源、高性能激光種子源的研究進(jìn)展情況, 分析了當(dāng)前高增益雙包層光纖與元件(光纖光柵、包層光剝離器、合束器等)、激光泵源、單頻激光種子源等關(guān)鍵技術(shù), 介紹了國內(nèi)外一些科研院所與企業(yè)在光纖激光材料與器件方面所做的部分工作, 并對大功率光纖激光材料與器件的發(fā)展動向進(jìn)行了展望.

二、研究現(xiàn)狀

在近十年以來, 大功率光纖激光技術(shù)得到了飛快發(fā)展, 究其原因除了光纖激光器本身的獨特優(yōu)勢之外,受到市場行為推廣的光纖激光材料與器件(即高增益雙包層光纖、光纖光柵、合束器、包層光剝離器、大功率泵浦源等)對激光器的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。圖2所示為萬瓦級大功率光纖激光裝置結(jié)構(gòu)示意圖, 無論是“單路光纖放大”還是“多路光束合成”方案,光纖激光系統(tǒng)都主要由：激光種子源、激光泵源、光纖材料與元件(合束器、包層光剝離器等)等幾個關(guān)鍵部分組成，下面分別予以介紹。

2.1 核心光纖材料與元件

1988年, Snitzer等人描述了包層泵浦光纖激光器。1989年, 英國南安普頓大學(xué)的Hanna等人報道光纖激光輸出, 隨后其發(fā)展?jié)摿χ饾u顯現(xiàn)出來, 高功率激光輸出功率的記錄不斷被刷新。20世紀(jì)90年代晚期，大模場面積雙包層光纖的采用進(jìn)一步促進(jìn)了激光功率的提升, 使用大模場面積光纖的同時采取模式(橫模)控制技術(shù), 使得激光在大芯徑少模光纖中能夠單模運轉(zhuǎn), 極大地提高了非線性效應(yīng)的閾值。從20世紀(jì)90年代開始, 俄羅斯、英國、美國、法國和日本等發(fā)達(dá)國家的主流研究機(jī)構(gòu)先后對雙包層光纖激光器相關(guān)材料和器件開展了大量的研究工作。

在大功率光纖激光器應(yīng)用中，摻Y(jié)b3+大模場面積光纖及基于大模場面積光纖的無源光器件占據(jù)了主流位置。2009年, 美國的IPG Photonics公司率先研制出單纖輸出功率達(dá)10 kW的摻Y(jié)b3+雙包層光纖, 并采用此種光纖搭建了萬瓦級光纖激光器裝置, 其方案示意如圖3所示。同時, 美國Nufern公司、英國SPI公司等研究單位也先后掌握了高增益光纖材料核心技術(shù),并且推出了相應(yīng)的數(shù)千瓦級光纖激光器產(chǎn)品. 在高功率光無源器件方面, 最近, 德國Laser Component公司推出了單臂承受功率達(dá)到2 kW的光纖合束器產(chǎn)品, 加拿大ITF公司推出了單臂承受功率超過400 W的光纖合束器產(chǎn)品。加拿大TeraXion公司推出了承受功率超過3 kW的光纖光柵產(chǎn)品。包層光剝離器方面目前國外公開報道的結(jié)果較少, 一般認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到千瓦量級水平。

國內(nèi)科研院所與企業(yè)在大功率光纖激光器的研究方面起步較晚, 但發(fā)展迅速, 已經(jīng)取得了矚目的成績。清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、中科院上海光機(jī)所、天津大學(xué)、中國工程物理研究院、中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所等眾多單位積極開展了大功率光纖材料和元件的理論與實驗研究，推動了國內(nèi)大功率光纖激光的發(fā)展。在光纖材料方面, 華中科技大學(xué)研制的大模場面積摻Y(jié)b3+光纖在國內(nèi)率先獲得了大于7 kW輸出, 中國電子科技集團(tuán)公司(簡稱中電集團(tuán))第23研究所、46所等單位也推出了數(shù)千瓦的產(chǎn)品。在光纖合束器方面, 中科院上海光機(jī)所研制的(6+1)×1光纖合束器目前單臂承受功率已超過1.2 kW; 深圳朗光科技有限公司開發(fā)的商用(6+1)×1光纖合束器單臂承受功率>200 W。在光纖光柵方面, 中科院上海光機(jī)所研制了承受功率超過1 kW的大模場面積光纖光柵，并完成了其高功率封裝與測試。在包層光剝離器方面, 深圳朗光科技有限公司開發(fā)了基于大模場面積雙包層光纖的包層光剝離器, 其最大承受功率達(dá)到800W, 中科院上海光機(jī)所研制的包層光剝離器承受功率>700 W。

2.2 高亮度半導(dǎo)體激光泵源

隨著半導(dǎo)體激光器制作工藝的不斷發(fā)展, 無論其作為直接光源還是作為其他激光器的泵源, 半導(dǎo)體激光器在加工、國防、顯示及醫(yī)療等領(lǐng)域都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。尤其是將帶尾纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器作為泵源直接抽運光纖激光器, 其中泵浦波長、泵源亮度、泵源功率對于光纖激光器來說至關(guān)重要。一般而言，摻Y(jié)b3+雙包層光纖中的鐿離子(Yb3+)具有很高的吸收截面、較寬的吸收光譜(典型值為910~980?nm), 能與InGaAs半導(dǎo)體泵浦源有效結(jié)合, Yb3+的典型吸收譜如圖4所示。波長范圍處于910~980?nm的高功率多模半導(dǎo)體激光器能夠很好地滿足大功率光纖激光對泵源的使用要求?？傊? 大功率光纖激光器非常需要高亮度半導(dǎo)體激光芯片及由多個芯片合束的高功率光纖耦合輸出模塊。

在高亮度半導(dǎo)體激光器芯片方面, 隨著外延結(jié)構(gòu)設(shè)計、外延晶體生長、腔面處理工藝、芯片封裝等核心技術(shù)的不斷發(fā)展, 9xx nm半導(dǎo)體激光器的功率從20年前的1 W發(fā)展到目前的15 W(90?μm條寬)左右, 即保持著平均15%的年增幅。其中9xx nm半導(dǎo)體激光器芯片是泵源的核心器件，國際上技術(shù)領(lǐng)先的單位有美國IPG Photonics, Lumentum Operations LLC(原JDSU),美國nLight Photonics等。截止到2016年, 上述公司的90?μm條寬單管芯片功率水平保持在10~15W。長期以來我國在此領(lǐng)域遠(yuǎn)落后于國外, 國內(nèi)關(guān)于半導(dǎo)體激光器的研究早期主要受到外延及腔面處理技術(shù)水平的限制, 在功率、效率等關(guān)鍵性能方面均落后于國外,可靠的單管芯片功率遠(yuǎn)低于10 W(90?μm條寬)。國內(nèi)山東浪潮華光與中電集團(tuán)13所目前976?nm單管芯片在售產(chǎn)品最高功率為8 W。相比而言, 近年快速發(fā)展的蘇州長光華芯公司依靠自身技術(shù)的積累，成功推出的976?nm單管芯片產(chǎn)品功率已達(dá)13~15 W, 且有較好的發(fā)展態(tài)勢, 比肩國際水平。

在半導(dǎo)體激光泵源(光纖耦合輸出模塊)方面，早期是基于單個芯片的光纖耦合輸出方式, 但是其輸出功率僅幾瓦。后來, 隨著合束技術(shù)的出現(xiàn)與不斷發(fā)展,通過集成多個芯片從而提高泵源的耦合輸出功率。目前，工業(yè)應(yīng)用的半導(dǎo)體激光泵源輸出功率一般小于200W, 能夠推出輸出功率超過500 W的單波長成熟泵源產(chǎn)品的廠家極少。一些著名的國外廠商，如:德國Dilas公司于2011年報道了功率775W(光纖芯徑200?μm, 數(shù)值孔徑0.22)的單波長976?nm激光輸出；美國Teradiode公司于2011年報道了功率1040 W(光纖芯徑200?μm, 數(shù)值孔徑0.18)的單波長966?nm光纖耦合輸出模塊，而Teradiode公司此后基于光譜合束技術(shù), 推出了多款多波長的光纖耦合輸出模塊, 包括于2012年報道的2.03kW(芯徑50?μm, 數(shù)值孔徑0.15)產(chǎn)品及2014年宣布交付的4 kW(芯徑100?μm, 數(shù)值孔徑0.18)產(chǎn)品, 量(BPP)均小于4 mm mrad。

國內(nèi)半導(dǎo)體激光泵源在早期主要集中于低功率(10~200W量級)工業(yè)產(chǎn)品。當(dāng)前，國內(nèi)能夠研發(fā)、生產(chǎn)半導(dǎo)體激光泵源的單位主要包括: 北京凱普林、大族天成、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所(簡稱中科院長春光機(jī)所)等幾家。其中, 中科院長春光機(jī)所報道了500 W的輸出結(jié)果， 北京凱普林光纖耦合輸出模塊最高輸出功率在200 W左右。分析與國外產(chǎn)生差距的原因, 一方面封裝以及光纖耦合技術(shù)水平較低, 另一方面沒有發(fā)展相應(yīng)的半導(dǎo)體激光器芯片技術(shù), 進(jìn)一步限制了泵源產(chǎn)品能力。蘇州長光華芯公司利用自行研制的90?μm條寬芯片，開發(fā)了功率800W(芯徑200?μm, 數(shù)值孔徑0.22)的單波長976?nm半導(dǎo)體激光泵源, 是報道并銷售600 W以上功率單波長光纖耦合輸出模塊的國內(nèi)唯一一家, 其擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和可靠的半導(dǎo)體激光泵源產(chǎn)品生產(chǎn)能力。

2.3 光子晶體激光泵源

早在2002年, 德國柏林工業(yè)大學(xué)的Ledentsov和Shchukin提出了光子晶體激光器的概念, 該激光器利用光子晶體模式調(diào)控, 從芯片層次實現(xiàn)單橫模和近圓形光斑輸出, 更容易獲得高光束質(zhì)量和高亮度激光，因而可以用作傳統(tǒng)固體激光器或光纖激光器的理想泵源。國際上的科研機(jī)構(gòu), 如俄羅斯Ioffe物理技術(shù)研究所、德國柏林工業(yè)大學(xué)、以色列PBC公司和FBH公司均開展了相關(guān)的研究工作, 在國際上發(fā)表了一系列研究成果，報道了工作波長分別為650?nm，850?nm，980?nm以及1060?nm的光子晶體激光器, 最高轉(zhuǎn)換效率接近60%, 最高脈沖輸出功率超過了20W。

2010年, 德國柏林工業(yè)大學(xué)和俄羅斯Ioffe物理技術(shù)研究所研制了980?nm波段光子晶體激光器，垂直遠(yuǎn)場發(fā)散角7°，連續(xù)輸出功率2.2W，亮度87MW/cm2/sr。2015年，德國柏林工業(yè)大學(xué)和FBH公司成功研制了1060?nm波段光子晶體激光器，連續(xù)輸出功率1.9 W,垂直遠(yuǎn)場發(fā)散角14°, 亮度72?MW/cm2/sr; 寬條長腔長最大輸出功率9.5 W(條寬100 μm, 腔長3?mm)。最近2016年, 德國柏林工業(yè)大學(xué)對1064?nm光子晶體激光器的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了研究，通過理論和實驗證實: 減少光子晶體激光器的串聯(lián)電阻, 可以有效增加轉(zhuǎn)換效率。

國內(nèi)科研院所, 如中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所和中科院長春光機(jī)所也積極開展了高功率高光束質(zhì)量光子晶體激光器的相關(guān)研究。至2003年以來, 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所就一直從事光子晶體激光器的研究,國際上率先研制出了905?nm波段光子晶體激光器，單管連續(xù)輸出功率大于5 W, 垂直發(fā)散角小于10°(最小6.5°), 窄脈沖峰值功率大于20 W; 研制出了976?nm波段光子晶體激光器, 單管連續(xù)輸出功率大于6 W, 垂直發(fā)散角小于13°, 其實驗結(jié)果如圖5所示。此外, 中科院長春光機(jī)所于2015年報道了808?nm光子晶體激光器， 單管連續(xù)輸出功率為4.6 W, 垂直發(fā)散角4.91°。

2.4 高性能單頻光纖激光器

單頻光纖激光是指腔內(nèi)以振蕩單一縱模形式輸出, 具有輸出光譜線寬窄、頻率可調(diào)諧、相干長度長、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢, 使其在光纖傳感、激光測距、高精度光譜學(xué)、非線性頻率轉(zhuǎn)換、相干合束等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。目前, 實現(xiàn)單頻光纖激光輸出的技術(shù)主要有環(huán)形腔和線性短腔兩種方式，環(huán)形腔腔長較長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、缺乏有效的鑒頻機(jī)制, 容易出現(xiàn)跳?，F(xiàn)象. 而線性短腔包含分布反饋(DFB)和分布布拉格(Bragg)反射(DBR)結(jié)構(gòu), 線性短腔結(jié)構(gòu)簡單、不易跳模、工作穩(wěn)定、效率較高。利用石英光纖作為增益介質(zhì)的短腔結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)穩(wěn)定的單頻運轉(zhuǎn), 得到線寬2~15?kHz的單頻激光輸出, 但輸出功率通常僅為幾個毫瓦。為了提高激光輸出功率, 往往需要提高光纖中稀土離子的摻雜濃度。與石英玻璃相比, 多組分玻璃對稀土離子具有良好的溶解度, 可達(dá)上百萬ppm, 且未發(fā)現(xiàn)因稀土離子高濃度摻雜而引起的熒光猝滅現(xiàn)象。如摻雜磷酸鹽玻璃光纖可將傳統(tǒng)單頻激光器中增益介質(zhì)的使用長度減少至厘米量級,腔內(nèi)縱模間隔可達(dá)幾個千兆赫, 可以從腔內(nèi)直接實現(xiàn)功率幾百毫瓦的單頻激光輸出， 圖6所示為典型的短腔DBR結(jié)構(gòu)單頻光纖激光器裝置結(jié)構(gòu)示意圖.

早在2005年初, 美國NP Photonic公司就推出了基于磷酸鹽玻璃光纖作為增益介質(zhì)的單頻光纖激光器，優(yōu)異的激光性能使其成為了目前市場上的主流產(chǎn)品。但到目前為止, 僅美國NP Photonic公司研制出了基于短光纖技術(shù)的窄線寬單頻光纖激光器, 其輸出波長為1.06 μm, 輸出功率達(dá)到200 mW, 斜率效率達(dá)31%, 輸出線寬小于3?kHz。國內(nèi)華南理工大學(xué)在磷酸鹽玻璃光纖的制作、單頻諧振腔結(jié)構(gòu)設(shè)計以及單頻光纖激光器研制等方面也取得了一些進(jìn)展, 成功拉制出高增益磷酸鹽玻璃光纖, 構(gòu)建了厘米量級線性短腔，直接從腔內(nèi)分別實現(xiàn)了波長1.06?μm，功率大于400 mW，線寬小于7?kHz和波長1950?nm，功率大于100mW，線寬小于6?kHz的兩類單頻光纖激光輸出。此外, 華南理工也開展了單頻光纖激光器的線寬壓窄、噪聲抑制等研究工作。采用虛擬折疊腔與慢光技術(shù)相結(jié)合的方式, 實現(xiàn)了3 dB線寬壓窄至600?Hz的單頻光纖激光輸出。采用飽和非線性放大效應(yīng)和光電反饋技術(shù), 在0.8~50?MHz頻率范圍內(nèi)將單頻光纖激光的噪聲抑制到?150 dB/Hz, 接近量子噪聲極限，其實驗結(jié)果如圖7所示。

基于單一諧振腔方式的窄線寬單頻激光器, 一般使用單模纖芯泵浦方式, 其單模泵源功率低, 無法直接實現(xiàn)數(shù)瓦級乃至更高功率輸出。為了實現(xiàn)大功率單頻光纖激光輸出, 通常將小功率單頻激光作為種子源, 使用主振蕩功率放大(master oscillator poweramplifier, MOPA)技術(shù)方案進(jìn)行單頻激光的放大, 使用MOPA結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)數(shù)瓦到數(shù)百瓦量級的單頻光纖激光輸出。比較有代表性的國內(nèi)外研究工作: 2012年, 德國漢諾威激光中心實現(xiàn)了301 W的非線偏振光纖激光輸出。2014年, 美國空軍實驗室利用光子晶體光纖實現(xiàn)了811 W的1064?nm單頻激光輸出, 為空間結(jié)構(gòu)單頻激光的最高功率水平。2012年, 國防科技大學(xué)實現(xiàn)了310 W非線偏振單頻光纖激光。2013年,國防科技大學(xué)又實現(xiàn)了332 W的線偏振單頻激光輸出，為目前國際上全光纖結(jié)構(gòu)線偏振光纖激光的最高功率水平, 其裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。同樣, 主要由于非線性效應(yīng)的影響, 單頻、嚴(yán)格單模輸出時的極限功率在1 kW量級。然而, 大功率光纖激光器合成技術(shù)可以使多路激光光束疊加, 在提高輸出功率的同時獲得良好的光束質(zhì)量。

大功率光纖激光器合成技術(shù)已成為國際上的研究熱點, 多個國家都對此展開了廣泛而深入的研究， 已有多家單位實現(xiàn)了數(shù)百瓦至千瓦級的功率輸出。當(dāng)前, 主流的光束合成方法包括: 主動相干合成、被動相干合成和非相干光譜合成3種。光束合成要求小功率高性能單頻光纖激光器或者窄線寬激光器(通常線寬千兆赫量級)作為種子源, 經(jīng)過功率放大后至千瓦量級, 然后作為單元(孔徑)激光器模塊進(jìn)行合束研究。比較有代表性的研究工作是, 麻省理工學(xué)院林肯實驗室Yu等人于2011年采用主動相位控制方法, 完成了8路500 W摻Y(jié)b3+光纖放大器的相干合成。實驗上采用商用光纖放大器, 成功地將功率5 mW, 線 寬10 GHz的種子源放大至功率500 W量級, 系統(tǒng)總輸出功率4 kW, 合成效率達(dá)到了78%。

國內(nèi)有單位對光譜合成技術(shù)進(jìn)行了研究, 中科院上海光機(jī)所實現(xiàn)了10.8 kW光纖激光輸出，其裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示; 中國工程物理研究院則實現(xiàn)了9.6 kW輸出?；谙喔珊铣杉夹g(shù), 國防科技大學(xué)實現(xiàn)了功率2.16 kW單模激光輸出，如圖10所示為其4 路500 W級光纖放大器相干偏振合成系統(tǒng)示意圖。

三、發(fā)展分析

由上述分析可以看出, 萬瓦級大功率光纖激光的發(fā)展主要涉及到大功率激光光纖材料與元件、高質(zhì)量激光泵源、高性能單頻光纖激光種子源等幾項關(guān)鍵技術(shù)。在大功率激光光纖材料與元件方面, 目前適合萬瓦級光纖激光系統(tǒng)的高增益大模場面積光纖和合束器、光纖光柵、包層光剝離器等無源光器件, 存在著國內(nèi)產(chǎn)品無法滿足需求以及面臨國外禁運的問題。目前各主流科研院所和公司都在為制備高增益光纖材料、高功率承受性合束器、光纖光柵和包層光剝離器等產(chǎn)品而努力, 今后的發(fā)展方向?qū)⒅饕杏贏l, F, P等新元素的引入對摻Y(jié)b3+石英玻璃光學(xué)和光譜性能的影響規(guī)律和機(jī)理的研究, 從而制備出低損耗、高光學(xué)均勻性、低纖芯數(shù)值孔徑的大模場面積光纖; 進(jìn)一步提高光纖合束器的制備工藝、光纖光柵的刻寫工藝以及對包層光剝離器剝離方法、剝離深度、長度等參數(shù)的精確控制，實現(xiàn)光無源器件的低損耗、高功率承受性等指標(biāo)性能。

在高質(zhì)量激光泵源方面: 隨著應(yīng)用領(lǐng)域?qū)饫w激光器輸出功率需求的持續(xù)增強(qiáng), 高亮度千瓦級半導(dǎo)體激光泵源的研發(fā)也在加快, 通過不斷地提高半導(dǎo)體激光器芯片的功率、亮度等參數(shù)。由于受限于常規(guī)激光合束方式, 空間合束在增加激光功率的同時, 降低了整體光束質(zhì)量; 偏振合束和波長合束可以在不改變光束質(zhì)量的同時增加激光功率，但功率提高倍數(shù)有限。光譜合束是近年來迅速發(fā)展的一種實用化合束方式，采用前腔面鍍有增透膜的半導(dǎo)體激光芯片與外部光學(xué)系統(tǒng)整體構(gòu)成諧振腔, 每個激光單元振蕩波長均與外部光柵色散和外腔反饋匹配, 所有激光單元沿相同方向諧振, 實現(xiàn)合束激光的光束質(zhì)量與激光單元保持一致。因此, 通過光譜合束和更高密度的空間合束將是當(dāng)前的研究重點。另外, 高光束質(zhì)量光子晶體激光可以從芯片層實現(xiàn)高亮度高功率激光輸出, 是未來半導(dǎo)體激光器的重要發(fā)展方向之一。單芯片高光束質(zhì)量光子晶體激光技術(shù)的發(fā)展不僅可促進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域研究的不斷深化, 隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升和應(yīng)用領(lǐng)域上的不斷拓展和創(chuàng)新, 未來在很多領(lǐng)域可以逐漸取代其他激光光源, 尤其可以在工業(yè)、信息、醫(yī)療和國防等領(lǐng)域得到重要的應(yīng)用.

在高性能單頻光纖激光器方面: 雖然國際上諸多單位采用MOPA技術(shù)方案, 開展了單頻激光的功率提升技術(shù)研究, 但是大都采用自由空間裝置結(jié)構(gòu), 主要問題是在線寬控制、噪聲抑制等方面研究深度不夠。此外, 非保偏輸出的單頻光纖放大器的綜合性能不能滿足諸多實際應(yīng)用的要求。因此, 在較長一段時間內(nèi), 打破單頻光纖激光放大的限制性因素, 實現(xiàn)全光纖化、更高功率、更低噪聲、線寬可控等高性能激光輸出將是單頻光纖激光器的重要發(fā)展方向。

四、結(jié)語

隨著大模場面積雙包層摻雜光纖制造工藝與和高質(zhì)量泵浦技術(shù)的發(fā)展, 單根單模雙包層光纖激光器的輸出功率以驚人的速度迅速提高, 與其他種類的激光器以及常規(guī)固體激光器相比, 大功率光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、熱管理方便等一系列優(yōu)點。但是, 在高端激光制造對核心光源的需求背景下, 隨著光纖激光器進(jìn)一步深入地發(fā)展,高增益光纖材料與元件、高質(zhì)量激光泵源、高性能激光種子源成為了制約萬瓦級大功率光纖激光發(fā)展的主要因素。