摘 要：本文介紹了大功率全光纖結構光纖激光器的結構、特點和優勢，論述了全光纖激光器研制的關鍵技術，給出了研究結果，討論了光纖激光器產業化發展的方向，并對我國光纖激光器產業化發展進行了展望。 關鍵詞：全光纖激光器，包層泵浦耦合，光纖光柵，長壽命，大功率，產業化 1 引言 新世紀開始后，大功率光纖激光器的飛速發展令人振奮，不但譜寫了激光技術發展的新篇章，為激光產業的發展注入了新的活力，而且將開辟激光應用的新時代。 在世界范圍內，光纖激光器的技術方案已經表現出全光纖結構的明顯趨向，這種光路全部由光纖和光纖元件構成的全光纖激光器，從激光的產生到激光的傳輸，全部在柔軟的光纖中進行，從而表現出了眾多顯著的優越性。 北京光電技術研究所研制的30W單模連續全光纖激光器代表了我國目前全光纖激光器的最好水平，該全光纖激光器的研制成功，標志著我國光纖激光器產業化技術的一次重大突破。 全光纖激光器是光纖激光器實用化和產業化的最佳途徑，也是目前唯一進入商業化和產業化的技術方案。發展全光纖激光器涉及雙包層光纖、包層泵浦耦合、光纖光柵、大功率多模泵浦半導體激光器和光纖激光器整機5大關鍵技術，這5大關鍵技術中有4大關鍵技術與光纖技術密切相關。 2 全光纖激光器的結構、特點和優勢 2.1 全光纖激光器的典型光路結構和光纖功率合成技術 圖1A是一種典型的單端泵浦連續單模大功率全光纖激光器的光路示意圖。單端泵浦結構簡單，但有源區增益呈指數衰減，分布極不均勻，適合功率不是非常高的情況。圖1B為典型的雙向泵浦連續單模大功率全光纖激光器的示意圖。雙向泵浦結構相對復雜，但有源區增益分布均勻性得到改善，可實現更高功率輸出。目前全光纖激光器單模連續輸出功率已經達到2000W。 圖2為采用光纖功率合成技術制作多模光纖激光器的光路示意圖，采用這種技術，可將多個單模連續光纖激光器的輸出功率合成起來，獲得數萬瓦或更高的光功率輸出并且光束質量良好。 人們正在發展的相干合成技術，有望采用這種方式實現光纖激光器的相干合成，實現光纖激 光器萬瓦量級的單模連續輸出。2.2 特點和優勢 全光纖激光器具有許多顯著特點，這使其在眾多方面展現出明顯的優勢： 1） 增益介質的表面積/體積比大 光纖激光器采用光纖做增益介質，具有很大的表面積/體積比，這使其具有非常好的散熱性能，因此，即使非常高功率的光纖激光器，增益介質也不會受到熱損 害，一般無需對增益介質采取特別的散熱措施，而其他種類的激光器，增益介質的散熱問題是需要重點考慮的，因此，該特點是光纖激光器所獨有的。 2） 優異的雙波導限制機制 高功率全光纖激光器采用雙包層有源光纖，這種雙包層光纖是一種雙波導結構，高功率的多模泵浦光被限制在直徑較大的內包層中傳輸，為采用高功率廉價的多模 泵浦光提供了條件，信號激光在直徑很小的具有圓對稱波導結構的纖芯中產生和傳輸，在小芯徑纖芯波導的限制下，信號激光可獲得理想的光束質量和極小的出光光 斑直徑，這是全光纖激光器獨具吸引力的重要特點，在高功率激光器中，目前還沒有一種激光器能夠超越。優異的光束質量和極小的出光光斑直徑在激光應用中具有 非常重要的意義，可使后續應用設備的光學系統更簡單，體積更小，工作距離更長，激光聚焦光斑更小，工作效率更高，加工深度更深，加工質量更好等等。 3） 固有的全封閉柔性光路 全光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構成，光纖和光纖元件之間采用光纖熔接技術連接，整個光路完全封閉在光纖波導中。這種天然的全封閉性光路一旦形 成，無需另加隔離措施即可自成體系，實現與外界環境的隔離。由于光纖細小并具有很好的柔性，光路可盤繞和沿細小的管道穿行，因此，全光纖激光器能夠在比較 惡劣的環境下工作，輸出光可穿過狹小的縫隙或沿細小的管道進行遠距離傳輸。這些特點在工業應用中優勢巨大，激光器不但能適應比較惡劣的工作環境，而且可使 激光器遠離出光點，可將激光引入到以前很難到達的地方，可非常容易移動和改變出光點，實現多加工點共用一臺激光器，可使激光加工設備的設計具有更高的靈活 性等等。 4） 光路具有免維護特性 如前所述，全光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構成，光纖和光纖元件之間 采用光纖熔接技術連接，因此，光路一旦完成，即形成一個整體，實踐證明，這樣形成的連接結構和連接參數將長期保持穩定，如果光纖和光纖元件本身能有長期穩 定性，整個光路將長期穩定，無需維護。需要特別指出的是，這種免維護的特性并非不可維護和維修，在需要的情況下，整個光路的維護和維修同樣可以進行，因 此，與氣體和固體等激光器需要頻繁的維護和維修相比，全光纖激光器光路的免維護特性異常優異，而與半導體激光器的不可維修性相比，全光纖激光器的可維護性 和可維修性又表現出明顯的優勢。 5） 單條寬發光區長壽命多模泵浦激光器 全光纖激光器的光路具有長期的穩定性， 因此，需要與之匹配的長壽命泵浦激光器才能獲得整機的長壽命。發展低價格的長壽命多模泵浦激光器是發展長壽命光纖激光器的重點。研究表明，半導體激光器的 失效率與有源區光功率密度的m次方成正比，m的取值范圍在2~3之間；與有源區電流密度的n次方成正比，n的取值范圍在3~6之間；與有源區的溫度呈指數 依賴關系，其數學表達式如下：其中F為失效率，I為有源區的光功率密度，J為有源區的電流密度，EA為激活能，取值在0.4~0.7之間，KB為波爾茲曼常數，T為有源區溫度。 可見，降低有源區光功率密度、電流密度和有源區工作溫度對降低失效率有顯著意義。單條寬發光區多模泵浦激光器就是根據這一原理而設計的一種長壽命半導體 泵浦激光器，其條寬一般取100mm，基本上已接近105/125多模光纖的纖芯直徑，其有源區條寬是列陣半導體激光器的幾十倍，對單一發光條來說，同樣 輸出功率和同樣注入電流情況下，其光功率密度和電流密度將降低幾十倍，有源區溫度也會有所降低，在忽略其他因素的前提下，單條寬發光區半導體泵浦激光器降 低失效率的作用是異常顯著的。目前尾纖輸出功率大于5W的單條寬發光區半導體泵浦激光器的平均無故障工作時間已經達到50萬小時以上。 6） 壽命長 從前面的討論我們已經知道，采用單條寬發光區半導體泵浦激光器作為光纖激光器的泵浦源，全光纖激光器將具備長壽命的特點，因此，制作具有幾十萬小時的長壽命光纖激光器在技術上已經可行。 7） 體積小重量輕 全光纖激光器由于光路可盤繞，光路占用空間較小，在采用單條寬發光區半導體泵浦激光器做泵浦源的情況下，泵浦激光器可分散安裝，具有很好的散熱特性，在 安裝密度不高的情況下，采用風冷即可，在安裝密度較高的情況下，只需少量通水即可滿足散熱要求，因此，全光纖激光器的體積比同樣輸出功率的氣體和固體激光 器系統更小，重量更輕。 8） 輸出功率大 光纖激光器輸出功率在突破100W以后，輸出功率水平飛速增長，只用了 三年多時間，達到的輸出功率水平已經超過了YAG固體激光器和CO2氣體激光器用三十多年達到的輸出功率水平，目前光纖激光器的實驗室水平已經超過10萬 瓦，3萬瓦的光纖已經商品化，已經銷售的光纖激光器，輸出功率為17000W。可以預見，光纖激光器將成為長時間連續輸出功率最大的激光器。 9） 節水節電節成本 光纖激光器具有優異的熱性能，電光效率較高，節水節電，尤其重要的是可長期免維護使用，可節約大量維護經費和時間，提高工作效率。 10） 造價不斷降低 全光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構成，由于原料易得，在技術、產品和市場成熟之后，可大幅度降低成本。除光路部分外，半導體泵浦激光器是構成光纖激光器成本的主要部分，從光通信的發展歷史和經驗來看，隨著技術的發展和市場容量的不斷擴大，大幅度降低半導體泵浦激光器的成本將成為必然趨勢。 3 5大關鍵技術和發展趨勢 3.1 特種光纖技術 全光纖激光器需要使用雙包層有源光纖、雙包層光敏光纖、能量傳輸光纖等多種特種光纖，隨著輸出功率的不斷提高，對特種光纖的技術要求也越來越高，因此， 特種光纖的發展將在光纖激光器的發展中扮演重要角色。以光子晶體光纖為代表的新一代特種光纖會在光纖激光器的發展中逐步得到應用。特種光纖的發展，將使有 源光纖的增益更高、承受的功率密度更大、對泵浦光的吸收更有效；將使光柵的制作更容易、光柵的穩定性更好、使光柵在光纖激光器中的用途更廣泛；將使能量傳 輸光纖能夠傳輸更高的功率，能夠將高功率激光傳送更遠的距離，能夠傳輸的波長范圍不斷拓展；將使泵浦耦合更加容易實現，能承受的泵浦功率更高，損耗更小等 等。 3.2 包層泵浦耦合技術 全光纖激光器的包層泵浦耦合技術對決定光纖激光器性能和水平具有不可估量的作用。 用于大功率全光纖激光器的光纖泵浦耦合器件和光纖功率合成器件，均在很高的功率下條件下使用，其耦合效率必須很高，損耗必須很小，承受的功率必須很大，并 且，輸入光的路數還需要盡可能的多。在如此眾多的極限條件要求下，制作優質的泵浦耦合器件和功率合成器件具有很高的難度，不過，實現的方式方法也多種多 樣，這是一項富有挑戰性的技術。從大功率全光纖激光器的發展趨勢來看，還要求泵浦耦合器件在將泵浦光耦合到內包層的同時，盡量不影響和損害雙包層光纖的纖 芯，因為只有這樣才能在不影響信號激光的產生和傳輸的情況下實現級聯泵浦，實現超大功率的輸出。本文認為，發展對纖芯影響最小的泵浦耦合技術是泵浦耦合器 件的發展方向。對于光纖功率合成器件，所追求的目標就是不斷提高合成的光功率。 3.3 光纖光柵技術 光纖光柵在全光纖激光器中，目前的作用是反射纖芯中的信號激光器形成諧振腔，不過，隨著光纖激光器技術的進一步發展，光纖光柵在光纖激光器中會有新的用途，從而對光纖光柵的制作技術提出新的挑戰，其中值得關注的方向之一，是在大芯徑多模光纖上制作高質量的光纖光柵。 3.4 半導體泵浦激光器技術 半導體泵浦激光器是光纖激光器的關鍵器件，對光纖激光器的可靠性、壽命和制作成本等影響至關重要，發展單條寬發光區長壽命半導體泵浦激光器已經成為光纖 激光器用半導體泵浦激光器的一種趨勢，不斷提高單個激光器的輸出功率、不斷降低成本和進一步提高可靠性是重點，其中改進和創新封裝結構應該是核心工作，因 為目前封裝成本所占比重還很高。 3.5 光纖激光器整機技術 全光纖激光器的整機設計和制作所涉及的知識、內容、 技術、工藝、經驗和Know How較多，是全光纖激光器設計和制作最核心、最關鍵的技術，尤其在新型大功率全光纖激光器的發展歷史還相當短暫的今天，還有大量開創性的工作需要進行。 進行全光纖激光器的整機設計和制作，不但需要面向應用進行合理設計，而且肩負著整機結構和方案的改進創新重任、肩負著各重要部件和關鍵技術的改進和創新重 任。目前在世界范圍內，進行光纖激光器整機設計和制作的廠家均在創新上有大量的投入。 4 我國實用化全光纖激光器的研制進展 北京光電技術研究所是我國最早從事大功率全光纖激光器研制的單位之一，在實用化全光纖激光器的研制方面處于國內前列，已經研制成功的30W單模連續全光 纖激光器，各項技術指標處于國內同類產品的領先水平，2005年4月28日由國家計量科學研究院對我們研制的產品進行了測試，2005 年7月12日通過了北京市科委組織的科技成果鑒定，鑒定之前，該激光器送用戶進行了現場使用，在鑒定會現場，用該激光器進行了現場切割不銹鋼薄板的演示。 這是由我國自主研制開發的第一臺能夠在普通環境下投入使用的大功率光纖激光器。由中科院物理所許祖諺院士、北京大學龔旗煌教授、清華大學張書煉教授、北京 工業大學李港教授、中國電子科技集團公司第11研究所張世文研究員、北京理工大學辛建國教授、首都師范大學方炎教授組成的專家組對該項成果給予了高度評 價。 4.1 方案和結構 所研制的全光纖激光器采用圖1A所示的光路結構，使用單條寬發光區長壽命半導體多模泵浦激光器作泵浦源，光路設計適合60W以內單模連續工作，實際使用低于50W的泵浦功率獲得30W以上單模連續輸出。 光路部分發熱較少，僅需要考慮泵浦泄漏可能引起的熱問題，散熱主要針對泵浦激光器，在整機連續輸出30W激光功率時，泵浦激光器的熱耗散功率約60W，在10℃左右的溫升條件下，合理尺寸的散熱片自然散熱即可，如果在更高的輸出功率下工作，加風扇冷卻即可。 整機設計重點考慮實用化和商品化，重點發展產業化技術，產品設計壽命大于5萬小時，光路具有免維護特性。 4.2 參數指標 中國計量科學研究院測試結果如下： 峰值波長：1085.378nm； 光譜半寬：0.302nm； 輸出功率：33.3W； 輸出光模式：基模； M2：1.103 MX2：1.148 MY2：1066； 光光效率69.2%； 電光效率：30.4%。 圖3是我們研制的全光纖激光器光束質量測試的部分結果。5 我國光纖激光器產業化發展現狀分析 我國商用光纖激光器目前全部依賴進口，原因是我們還沒有實現光纖激光器的商品化和產業化。 我國光纖激光器的研制其實并不落后，已經有好幾個單位實現了連續200W以上的輸出功率，但我國光纖激光器的產業化工作明顯滯后。下面分析一下我國光纖激光器產業化發展滯后的原因。 前文已經提到，發展全光纖激光器需要5大關鍵技術，不難看出，這5大關鍵技術除半導體泵浦激光器外，其他4大關鍵技術全部與光纖技術密切相關，準確的說，是與能量光纖技術密切相關。能量光纖技術是以信號光纖技術為基礎發展起來的，而信號光纖技術主要是為光纖通信服 務的，因此，能量激光和光通信這兩個技術領域通過光纖這種特殊的媒質聯系起來，使從事光纖和光纖器件研制和生產的單位能夠深入地介入這兩個技術領域并成為 其核心力量。在光通信走入低谷的時候，適逢光纖激光器取得歷史性突破之時，國外許多從事光通信光纖器件研制生產的單位開始轉向能量光纖器件的研制和開發， 以尋求新的發展機遇、拓展生存空間。這些投入能量光纖激光器開發的單位目前已經成為光纖激光器發展的重要力量，為發展新型全光纖激光器作出了巨大貢獻。 我國進行光纖器件生產和開發的單位雖然非常多，但總體技術水平較弱，在光通信走入低谷的時候，相關單位基本上只能選擇在本行業苦苦支撐或關閉生產線兩種 方式，無力投入巨大資源進行能量光纖器件的研制和開發，所以，當全光纖激光器飛速發展對能量光纖器件提出迫切需求的時候，我國在這方面基本上還是一片空 白。對于我國最早從事光纖激光器研制的單位來說，面對國內的這種局面，發展全光纖激光器基本上沒有基礎可言，因此，透鏡整形聚焦端面泵浦外腔結構的方案成 為現實選擇。這種結構很接近傳統的全固態激光器，對光纖技術的依賴程度很低，采用非光纖技術即可制作。但是，實踐證明，光纖激光器只有采用全光纖結構才能 充分體現整體的一致性、完整性、和諧性和匹配性，采用充分展現光纖激光器的優勢，因此，全光纖結構方案更加符合光纖激光器發展的本質規律，所以，在世界范 圍內，全光纖激光器成為主流方案有其必然性。 全光纖激光器需要能量激光器技術與光纖技術有機結合起來，從某種程度上來說，光纖技術在 光纖激光器的發展中所占的比重很大，因此，能量激光技術和能量光纖技術是光纖激光器發展不可或缺的兩條腿。目前，我國從事光纖器件研制和生產的單位仍然主 要集中在光纖通信的產業鏈條之中，涉足能量激光技術的很少，這是我國光纖激光器發展面臨的巨大問題。本文希望我國從事光纖器件研制和生產的單位突破行業界 限，關注光纖激光器的發展，積極參與新型能量光纖器件的研制開發，為我國光纖激光器國產化和產業化作出貢獻。應該看到，新型大功率全光纖激光器具有廣闊的 市場，發展能量型光纖器件，對于光纖器件研制生產單位是大有作為的。還應該看到，國外光纖激光器取得突飛猛進的發展也是最近幾年的事情，盡管我國目前與國 外的水平差距很大，但是落后的時間并不長，只要我國光纖器件的研制生產單位積極開展相關產品的研制開發工作，我們是能夠在光纖激光器的研制生產方面站在國 際前列的。 6 結束語 我國光纖激光器的發展與國際先進水平相比，差距較大，但我們已經起步，北京光電技術研究所已經研制成功我國首臺能夠在一般環境下應用的新型大功率全光纖激光器，邁出了我國光纖激光器實用化和產業化的關鍵一步。 全光纖激光器5大關鍵技術中，有4大關鍵技術與光纖技術相關，可見，我國光纖器件研制生產單位應該成為我國光纖激光器發展的主力軍和生力軍，只有這樣，我國光纖激光器國產化和產業化的目標才能早日實現。