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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)。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(duì)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(duì)我國實(shí)行限制性出口或者禁運(yùn)。可以發(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(dòng)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(duì)工業(yè)制造帶來了革命性變革, 而萬瓦級(jí)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(shí)現(xiàn)萬瓦級(jí)乃至數(shù)萬瓦級(jí)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(jí))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(jí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了33 kW輸出; 至2016年, 美國空軍實(shí)驗(yàn)室采用相干合成技術(shù)實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(duì)于大功率光纖激光剛剛邁入萬瓦級(jí)功率的門檻, 且停留在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的狀態(tài), 對(duì)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(jí)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(jí)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(shí)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(jí)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(jí)光纖激光材料和器件,突破其關(guān)鍵技術(shù), 實(shí)現(xiàn)擁有自主知識(shí)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(jí)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(jí)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(duì)大功率光纖激光材料與器件的發(fā)展動(dòng)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(dú)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(duì)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(jí)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(gè)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(bào)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(shí)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(yùn)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(duì)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(jí)光纖激光器裝置, 其方案示意如圖3所示。同時(shí), 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(jí)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(bào)道的結(jié)果較少, 一般認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到千瓦量級(jí)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(shí)驗(yàn)研究，推動(dòng)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(yùn)光纖激光器, 其中泵浦波長、泵源亮度、泵源功率對(duì)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(duì)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(gè)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(jì)、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(gè)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(gè)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(bào)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(bào)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(bào)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(jí))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(bào)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(bào)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(shí)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(shí)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(bào)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(duì)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(shí)驗(yàn)證實(shí): 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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。此外, 中科院長春光機(jī)所于2015年報(bào)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(jià)值。目前, 實(shí)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單頻運(yùn)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(gè)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(duì)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(jí),腔內(nèi)縱模間隔可達(dá)幾個(gè)千兆赫, 可以從腔內(nèi)直接實(shí)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(jì)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(jí)線性短腔，直接從腔內(nèi)分別實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)數(shù)瓦級(jí)乃至更高功率輸出。為了實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)瓦到數(shù)百瓦量級(jí)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(shí)現(xiàn)了301 W的非線偏振光纖激光輸出。2014年, 美國空軍實(shí)驗(yàn)室利用光子晶體光纖實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)的極限功率在1 kW量級(jí)。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(shí)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(diǎn), 多個(gè)國家都對(duì)此展開了廣泛而深入的研究， 已有多家單位實(shí)現(xiàn)了數(shù)百瓦至千瓦級(jí)的功率輸出。當(dāng)前, 主流的光束合成方法包括: 主動(dòng)相干合成、被動(dòng)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(jí))作為種子源, 經(jīng)過功率放大后至千瓦量級(jí), 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(shí)驗(yàn)室Yu等人于2011年采用主動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(jí), 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(duì)光譜合成技術(shù)進(jìn)行了研究, 中科院上海光機(jī)所實(shí)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(shí)現(xiàn)了9.6 kW輸出?；谙喔珊铣杉夹g(shù), 國防科技大學(xué)實(shí)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(jí)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(jí)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(xiàng)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(jí)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(yùn)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(duì)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(duì)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(shí)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(jí)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(shí), 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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(diǎn)。另外, 高光束質(zhì)量光子晶體激光可以從芯片層實(shí)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(shí)際應(yīng)用的要求。因此, 在較長一段時(shí)間內(nèi), 打破單頻光纖激光放大的限制性因素, 實(shí)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(diǎn)。但是, 在高端激光制造對(duì)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(jí)大功率光纖激光發(fā)展的主要因素。