高功率连续光纤激光器技术发展概述

０ 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

１ 高功率光纤激光器的发展历程

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 （１．０６４ μｍ／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１５０ Ｗ 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 １０ ｋＷ，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。


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。

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。

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。