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?！笆濉逼陂g就率先開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。