首次实现千瓦级光纤激光输出 - 高功率光纤激光技术前景大好 千瓦级的突破促生繁荣市场

　　千瓦级的突破促生繁荣市场

　　2004年，南安普敦大学的Jeong等世界上首次实现了千瓦级光纤激光输出。他们利用975 nm LD双端抽运纤芯直径43 μm的双包层掺镱光纤，产生了1.01 kW的1090 nm激光输出。同年，进一步优化激光器参数并继续增加抽运功率，使激光器的输出功率提高到了1.36 kW，由于减小了掺镱光纤的纤芯直径和数值孔径，输出激光的光束质量得到了明显改善（M2=1.4）。

　　千瓦级光纤激光器的出现使得高功率光纤激光真正走向了应用市场，各研究单位、创业公司如雨后春笋般出现，呈现出欣欣向荣的景象。2012年，IPG曾报道了20 kW的单模和100 kW的多模光纤激光器，这也是目前光纤激光激光器的最大功率。

　　我国的高功率光纤激光器研发起步较晚，但发展迅速。2001年中科院上海光机所在国内率先开展了高功率光纤激光技术的理论与实验研究，2005年率先突破千瓦大关获得单纤连续激光1.05 kW的输出，并在2009年利用国产光纤实现1.75 kW功率输出。随后清华大学、国防科技大学、西安光机所、锐科、创鑫、飞博等多家单位也实现了千瓦和数千瓦级的激光输出。

　　中科院上海光机所在国内也率先开展了光纤激光相干合成和光谱合成技术研究。2006年，利用自成像结构实现相干合成，随后，国际上首次利用该技术实现了二维光纤激光相干合成。“十二五”期间就率先开展光纤激光光谱合成技术研究，并率先采用光谱合成技术突破10 kW大关，引领高功率光纤激光技术的发展潮流。

　　图 IPG十千瓦光纤结构

　　以近衍射极限的单模掺Yb3+光纤激光器功率发展情况为例（如下图），经预测，如果光纤的模场面积能够合理地增加，采用二极管直接抽运，从单纤激光器或放大器中可得到36 kW的近衍射极限输出，采用同带抽运能够提升输出功率到67 kW甚至更高到97 kW，接近100 kW量级。提升功率到这样超高量级将涉及超大直径的光纤拉制和稳定的单模操作，具有很大的挑战性。

　　尽管掺镱光纤激光器的输出功率已突破10 kW，但目前光纤激光器的功率提升依然受到抽运光亮度、热效应、非线性效应和模式不稳定的限制。如何设计新颖的光纤结构，发展低损耗的光纤器件，提高抽运二极管的亮度，优化散热结构，改变传统的抽运方式是未来光纤激光器发展的主流趋势。

　　图 高功率包层抽运的掺Yb3+光纤激光器的功率提升。图中同时涵盖了多模光纤激光器（MM），二极管直接抽运（SM-DP）激光器和同带级联抽运（SM-TP）的激光器功率提升情况。