高功率连续光纤激光器技术演进及瓶颈!

本文作者马思烨，张闻宇，邱佳欣，冀巍，刘燕梁，中国电子科技集团公司第二十三研究所，仅供交流学习之用，感谢分享!

引言

光纤激光器被认为是第三代激光器，其与传统的红宝石激光器及YAG(钇铝石榴石)激光器相比具有良好的光束质量、单色性与稳定性，并且还具有电光转化效率高、维护成本低、结构简单、体积小、重量轻及占地面积小等优点。近年来千瓦级、万瓦级高功率光纤激光器的兴起，极大地拓宽了光纤激光器应用领域。在工业加工方面，数百瓦高功率光纤激光器广泛用于五金、眼镜、卫浴及广告字焊接，数千瓦高功率光纤激光器在金属切割、熔覆等方面优势明显，几乎取代了传统加工手段，2μm 光纤激光器则在塑料加工、医疗手术等方面有着不可替代的优势;在军事方面，国内外基于高功率高亮度的万瓦级光纤激光器(激光武器)成功打靶的报道屡见不鲜。光纤激光器可分为连续光纤激光器与脉冲光纤激光器两类。相对于脉冲光纤激光器，连续光纤激光器对相关技术要求更高、更复杂。因此，本文主要对高功率连续光纤激光器的技术发展进行阐述。

1、高功率光纤激光器的发展历程

1.1 早期发展历程

1960年，世界上出现了第1台真正意义上的激光器，系红宝石激光器。次年，E.Snitzer研制出第1台掺钕(Nd3+)光纤激光器。一年后，H.W.Etzel等人成功研制出第1台掺镱离子(Yb3+)的光纤激光器，即 目前最常见的1μm波长(1.064μm/1.080μm)光纤激光器。但由于光纤的损耗较高，导致能量无法长距离传输，因此在此后的很长一段时间内，光纤激光器的发展陷入了低谷。直到20世纪70年代初，康宁公司根据高锟等人提出的理论研制出损耗4dB/km 的光纤，使得1.55μm 波长掺铒(Er3+ )光纤激光器迎来了发展，但由于Er的量子亏损较大，导致其无法实现高功率输出。综上，早年光纤激光器的功率较低，大多在瓦级甚至毫瓦级以下，以1.55μm 通信波段掺铒光纤激光器较为著名，其主要用于光纤放大器，1.08μm 波段的光纤激光器主要用于微电子及激光打标等。

1.2 近30年的发展历程

1.2.1 国外发展情况

1993年，HongPo等人研制出掺钕双包层光纤激光器。2002年，J.Limpert 等 人 研 制 出 铒 镱(Er3+/Yb3+ )共掺的双包层光纤激光器，实现了150W的单模连续激光功率输出，大大推动了高功率掺镱光纤激光器的开发。2009年，光纤激光器的全球领跑者IPG公司基于同带泵浦技术使用1.018μm的激光作为泵浦光，首次实现了单纤单模输出10kW，光束 质量因子M2＜1.31。2012年，IPG公司的单纤单模功率达到了20kW。截至2019年1月，IPG公司的光纤激光器最高输出水平为单模20kW 与多模500kW。图1示出了国外光纤激光器单纤单模激光功率P的提升情况，可以看出从1997年至2012年，光纤激光器的单纤单模输出功率水平的提升大致为2.0dB/a，约合1.58倍/a。

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1.2.2 我国发展情况

我国对光纤激光器的研究起步较晚，始于20世纪80年代末。根据相关报道，近10年我国高校、研究所、企业等众多研究机构的关注焦点主要是掺镱双包层光纤激光器。2006年，我国掺镱双包层光纤激光器的输出功率首次达到千瓦级。2016年，中国电科第二十三研究所(简称中国电科23所)下属的中国电科天之星激光技术(上海)有限公司(简称天之星公司)首次采用自主研发的20/400(即纤芯直径20μm，包层直径400μm)有源光纤、20/400无源光纤、泵浦合束器、输出头等核心器件实现1kW商用光纤激光器的量产，为20/400有源光纤等国产化高功率光纤与器件的大规模商用化打下了坚实的基础。次年，该公司采用自研器件实现了2kW光纤激光器商业化量产。近两年来，我国已陆续有光纤激光器万瓦激光输出的报道。图2示出了我国光纤激光器单纤单模激光功率P的提升情况(其中单纤单模数千瓦光纤激光器目前还处于演示样机水平，与长期可靠工作的应用级尚有差距)

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2、高功率光纤激光器的技术演进

光纤激光器功率水平的提升主要借助于三方面的技术发展:a.光纤激光器结构的优化，使其可在降低系统温升的情况下提高输出功率;b.有源光纤、泵浦源、合束器等光纤激光器核心器件的功率水平的提升，为激光器高功率输出提供了硬件保障;c.光纤处理设备的升级，包括大芯径光纤切割刀、熔接机、再涂覆机等性能的提升，使得光纤熔接点的损耗、发热大幅降低，从而对提升激光器的损伤阈值有极大的益处。下文将对前两方面的技术演进进行介绍。

2.1 光纤激光器结构的优化

2.1.1 早期空间光泵浦结构

早期各种光纤激光器采用的都是空间光的泵浦与激光输出，功率提升较为缓慢，直至1999年才首次突破百瓦级的输出。该激光器的结构如图3所示，采用空间光 双向泵浦方式(利用一对双色镜(DM1与 DM2)构成谐振腔，激光最终从DM2输出)和模场直径9.2μm的双包层光纤，在1120nm的波长下获得110W的激光输出，斜率效率为58.3%。然而，利用空间光进行光纤泵浦光、激光耦合的复杂程度较高，各种光学镜片搭建光路的难度较大，甚至激光器的搬移都会造成光路需要重新调节，这在很大程度上限制了光纤激光器的应用。

2.1.2 直接振荡器结构与MOPA结构

随着光纤器件的发展，光纤合束器、光纤光栅(FBG)及包层功率剥离器(CPS，包层光剥离器(CLS))等取代了各种透镜、双色镜等，实现了全光纤结构的激光器，器件之间不再依赖于光学镜片间空间光的耦合而是通过光纤熔接实现耦合，大大简化了激光器的复杂度，并提升了激光器的可靠性与可维护性，为光纤激光器的实用提供了可能。

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目前，全光纤结构的高功率光纤激光器主要有直接振荡器结构与主控振荡器功率放 大器(MOPA)结构两种。前者通过一对光纤光栅构成谐振腔，在振荡过程中由光栅进行波长选模，输出目标波长。后者则通过振荡器结构的激光器输出某一波长的激光作为种子光，该种子光在后一级的放大器(有源光纤与泵浦光的作用)中被功率放大形成更高功率的激光输出。虽然直接振荡器结构中振荡器输出的激光模式在空间分布上优于 MOPA，但谐振腔提升了激光功率密度，从而对有源光纤的损伤阈值要求较高，同时还受制于光纤光栅的功率承受水平。因此，在很长一段时 间内 MOPA 结构被认为是高功率输出的首选结构，但最近研究发现 MOPA结构在高功率下容易出现模式的空间分布不稳定，降低激光的亮度，阻碍了光纤激光器的高功率输出。

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在高功率光纤激光器中采用的泵浦方式主要有前向泵浦与双向泵浦两种。相比于前向泵浦方式的单侧泵浦注入导致的高发热，双向泵浦方式可优化为双端泵浦的低发 热，有效分散光纤的发热。图4示出了采用前向泵浦方式与双向泵浦方式时沿光纤长度方向的光纤温度分布，可见采用前向泵浦方式时，泵浦注入端光纤最高温度达到85.7℃，而采用双向泵浦方式时，两个泵浦注入端光纤最高温度为62.1℃，显然光纤温度低更利于冲击高功率，并且失效几率大幅降低。2017年清华大学搭建了典型的MOPA结构的高功率光纤激光器，如图5所示，在其放大器部分采用了双向泵浦方式，最终实现了3.1kW 输出。

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2.2 同带泵浦技术的发展

早期的掺镱光纤激光器主要采用915nm 或者 975nm 作为泵浦光波长。由于这两个波长是镱离子的吸收峰，因此这种泵浦技术称之为直接泵浦，即由9×× nm波长经过有源光纤后输出1064nm、1070nm等波长的激光。然而，直接泵浦的量子亏损率比较高。量子亏损q与量子亏损率qrate的计算方法为:

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同带泵浦又称为级联泵浦，是指泵浦波长与发射波长较为接近，在电子跃迁时吸收与发射对应于同一个能带，量子亏损率更小。根据式(2)可计算得，当采用1018nm 作为泵浦波长时，输出1070nm 的量子亏损率将低于5%。因 此，先采用 975nm 泵浦输出数值孔径在0.07左右的有源光纤，使之发射高亮度1018nm 激光，再用此1018nm 激 光作为泵浦光输出1064nm、1070nm及1080nm等波长的激光。2017年，国防科技大学由此成功合成了5kW1018nm 的激光，并将其作为高亮度的泵浦源。IPG 公司 由 此实现了10kW 单纤单模输出光纤激光器(即 YLS-10000-SM 单模掺镱光纤激光器)，如图6所示。可见，该激光器采用了MOPA结构，主控振荡器输出1kW 的种子光，通过将57 个270 W 的1018nm 泵浦源合束后再进行双向级联泵浦，最终得到10kW的激光输出，该激光器输出的光谱主峰的3dB带宽(半高宽)为10nm，且光谱无明显展宽、劣化。

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2.3 有源光纤技术的发展

有源光纤是光纤激光器中的增益介质，其作用是将高数值孔径(例如纤芯数值孔径 为0.22)的泵浦光转变为低数值孔径(例如纤芯数值孔径为0.06)、高亮度的激光。有源光纤的性能直接影响着输出激光的质量，尤其是激光器在激光功率、斜率效率、非线性效应、模式不稳定性以及光子暗化效应等方面的表现。

有源光纤从早期的单包层变为双包层，同时从早期的小纤芯(纤芯直径通常低于10μm)变为大纤芯(即大模场面积(LMA)光纤)。自从 HongPo等人提出采用双包层光纤来克服单包层光纤耦合功率低的难题，极大地提高了有源光纤的 功率水平。图7示出了单包层有源光纤与双包层有源光纤中泵浦光转变为激光的工作原理。可见:a.单包层光纤的涂层折射率ncoat＞包层折射率nclad，因此泵浦光只能在纤芯中传输，易受单位面积功率传输的限制，使得产生的激 光能量很低。b.双包层光纤的外包层(内涂层)折射率nout-clad＜内包层折射率nin-clad，因此在波导结构上允许泵浦光从内包层中注入与传输，使得泵浦光传输通道的横截面极大提升。以6/125(即纤芯直径6μm，包层直径125μm)单包层有源光纤与20/400双包层有源光纤为例，前者的泵浦光传输(注入)通道横截面面积约为28μm2，即便模场面积(模场直径10μm 以内)也不足80μm2，而后者的泵浦光传输(注入)通道横截面面 积 约 为125600μm2，相比前者至少高出3个数量级，优势明显。

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随着稀土掺杂工艺水平的提升，有源光纤的大模场面积获得实现。早期的稀土掺杂 系统较为简易，采用原料的纯度也偏低，加之对铝、磷等共掺原理的研究不够深入，使得 Yb3+ 的掺杂浓度较低。近年来，随着汽相法、液相法、溶胶凝胶法以及纳米颗粒掺杂等工艺的不断成熟，稀土掺杂的浓度得到提升，即使Yb3+的浓度(物质的量分数)高达1000×10-6(0.1%)，也不会出现稀土离子团簇、失透的现象，且纤芯折射率分布更加合理，这使得光纤模场呈近似平顶分布，进一步提高了光纤的损伤阈值。图8示出了改进化学汽相法(MCVD)结合螯合物法进行 Yb3+ 掺杂的工艺装置，与常规通信光纤预制棒制作工艺装置相比，该工艺装置增加了AlCl3 以及镱螯合物 Yb(tmhd)3 输入设备，所有原料在加热汽化后被氦气载入工艺管道，与O2、气态SiCl4混合后通过火焰喷灯加热在石英管内壁沉积并玻璃化。同时，高浓度的稀土离子及共掺元素的掺杂还能够保证光纤在1080nm的本底损耗低于10dB/km，甚至5dB/km，这降低了光纤高功率失效的风险。目前，进口的20/400有源光纤(如图9所示)的功率水平约为3kW，一些纤芯直径30μm 的有源光纤甚至可以实现万瓦输出。

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2.4 泵浦源的发展

LD是将电能转换为光能的器件，由于其工作介质通常为砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)及硫化锌(ZnS)等半导体材料，因此LD 又被成为半导体泵浦源。LD最为常见的封装形式是单管封装，通过采用多个单管进行线阵合束的方式可有效提高 LD 的整体输出功率。在十余年内，线阵封装的 LD输出功率获得了快速发展，从2000年的267W(百 瓦 级)发展到 2015 年的1980 W(千瓦级)。通过对线阵的叠加，能够进一步形成迭阵封装方式，输出功率甚至可以达到6.3kW。此外，锁波长技术的成熟同样极大提升了 LD 的实用性。常规的 LD的输出波长会随着温度的变化出现漂移，温度漂移 系数约为0.31nm/℃，这将影响有源光纤的泵浦吸收峰，不仅降低了激光器的效率，而且未吸收的泵浦光还会导致光路中的其他元器件损坏。目前，市售的几百瓦甚至数千瓦锁波长LD可以将温度漂移系数降低至0.01nm/℃以内，已成为了975nm等波长泵浦冲击高功率的不可或缺的器件。同时，LD的输出光纤数值孔径也在不断优化，从之前的0.22提升为目前的0.15，甚至0.13，为合束器有效接收更高功率泵浦光创造了有利的条件，使之可提升激光输出功率。

2.5 光纤合束器的发展

合束器的用途是将若干个 LD 泵浦源的功率汇聚至有源光纤。早期的合束器采用空间耦合的方式，最高实现了1.01kW 的激光输出。由于空间耦合的稳定性较差，逐渐被采用锥形光纤束结构的光纤合束器取代，而后光纤合束器更是借助光纤切割刀、光纤熔接机等工艺设备性能的更新换代使得功率水平迅速提升，从百瓦级发展至目前的千瓦级。

图10示出了典型的端面泵浦方式的(6+1)×1光纤合束器，其由6根传能光 纤(6条泵浦臂)和中心1根无源光纤组成，传能光纤主要用于传输泵浦光，而无源光纤的包层传输泵浦光，其纤芯传输激光。当该光纤合束器传能光纤采用200/220、输出兼容 20/400 有源光纤时，其单臂功率可以达到400 W，泵浦耦合效率大于99%，纤芯激光耦合效率95%，由此实现了2.4kW的泵浦功率以及1kW 以上的纤芯激光传输。

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图11示出了典型的侧面泵浦方式的(2+1)×1光纤合束器，2根泵浦纤拉锥后贴合在无源光纤上，因此无需将作为激光通道的光纤打断(减少了1个熔接点)，理论上可实现100%的纤芯激光耦合效率。目前，侧面泵浦(2+1)×1光纤合束器亦已实现千瓦级功率传输。

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3、高功率光纤激光器技术发展瓶颈

虽然高功率光纤激光器相关技术有了快速的发展，但如果希望获得更高的功率输出则目前仍然存在诸多技术瓶颈。相关研究表明，基于大模场掺镱石英光纤和二极管激光器泵浦的光纤激光器在理想的情况下最高可实现单纤单模输出功率为36.6kW，但目前报道的光纤激光器输出功率远低于此。经研究，光纤激光器输出功率的受限因素主要包括泵浦功率、受激拉曼散射(SRS)以及热透镜效应，如图12所示。

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SRS是一种非线性效应，是光纤中的粒子受到高功率激光作用时表现出的拉曼散射现象，造成部分激光能量转变成波长更长的无用光，这些光的功率甚至可以超过激光，降低了激光器的有效输出功率。通常可以通过减少光纤长度以及增大纤芯尺寸来抑制SRS。图6(b)中1120nm 附近的光谱峰即是拉曼峰，峰高约为1073nm 主峰高的1/10，可以认为这个SRS抑制得较为成功。热透 镜效应则是由于半导体泵浦源在高功率时发热变形造成的透镜效应，从而限制了泵浦光的功率。抑制热透镜的手段之一是通过水冷的方式为泵浦源散热，通过降温提升热透镜效应的阈值功率。

此外，光纤激光器更高功率输出的技术瓶颈还包括横向模式不稳定性(TMI)以及光子暗化效应。TMI是指在高功率时激光中基模与高阶模之间会以毫秒级的周期进行相互转换，严重降低了光束质量。相关研究表明光纤发热是造成TMI的主要原因，即所谓热致模式不稳定性。某些有源光纤的TMI阈值为1kW左右，限制了更高的激光功率输出。对此，可采用同带泵浦技术以降低光纤发热，从而提升光纤的 TMI阈值，也可通过降低光纤的纤芯尺寸以利于提升 TMI的阈值，当然这同时可能降低了光纤的SRS阈值。光子暗化效应主要表现为光纤激光器输出功率达到数百瓦或者数千瓦时，输出功率会出现较快下降，限制了激光器的输出功率水平。虽然目前对光子暗化效应的成因尚无定论，但主流观点认为是氧缺陷中心与电荷转移吸收带造成的，这些都直接与有源光纤相关。对此，提出的抑制光子暗化的方法也有多种，但从实用性的光纤工程化指标及应用角度而言，主要依靠对有源光纤的纤芯掺杂组分的优化，即镱、铝、磷、铈等元素的配比的优化。目前，对于能够保持3kW 以上连续数小时稳定功率输出或者1kW 左右连续百小时稳定功率输出的光纤激光器，则可认为其光子暗化抑制得较为成功。

4、总 结

2017年，全球光纤激光器市场为20.39亿美元，预计2021年将增至28.85亿美元。从IPG 公司的销售数据来看，其高功率光纤激光器销售额将达8.67亿美元，约占其光纤激光器销售额的71%，且增速接近50%。由此，可以预计未来高功率光纤激光器仍然是光纤激光器市场的主力军，提升光纤激光器的输出功率是占据未来市场必要条件。

对于单纤单模光纤激光器，在确保光束质量因子的前提下进一步提升输出功率仍是大趋势，主要途径是选用性能更佳的光纤器件并更加科学地对器件进行设计整合，从而实现高功率、高亮度的激光输出。总体上，单台光纤激光器的输出能力是有限的，因此激光合束方式(即将多台高功率光纤激光器输出的激光合束后形成更高功率且高光束质量的激光)已成为提高光纤激光器输出能力的有效途径。常用的合束方式有非相干组束合成、光谱合成激光光束以及激光相干合成，合束后的激光功率往往可以达到数万瓦甚至更高。对于工业用的多模光纤激光器，由于大多数情况下输出的激光不需要具备非常高的光束质量，因此通常采用2路、4路、7路与19路等多路单模或多模激光利用大芯径光纤合束器进行合束多模输出，通常输出光纤的纤芯直径在100μm以上。我国万瓦多模光纤激光器以及IPG公司的数十万瓦多模光纤激光器就是采用上述合束方式实现多模输出的。