亮点 | 高功率掺镱光纤振荡器：研究现状与发展趋势

编者按

《中国激光》联合国防科技大学，组织策划“中国激光·国防科技大学”专辑，以此打造特色“院校”专辑，集中展示国防科技大学激光领域最新科研进展，鼓励学科交叉融通。本专辑于2021年第4期正式出版（点击查看）。

专辑遴选8篇代表作作为“亮点文章”。本文来源于前沿交叉学科学院高能激光技术研究所光纤激光研究课题组——“高功率掺镱光纤振荡器: 研究现状与发展趋势”。

文章对掺镱光纤振荡器在科研和工业领域的研究现状进行了详细介绍，分析了掺镱光纤振荡器未来的发展趋势，并对提升掺镱光纤振荡器功率和光束质量的各项关键技术进行了详细剖析。

撰稿 | 王小林

光纤激光器具有高效率、可柔性传输等优点，在工业加工、材料处理等领域具有广泛的应用。与主振荡功率放大（MOPA）结构的光纤激光器相比，光纤振荡器具有结构紧凑、抗回光能力强等优点。随着光纤器件和工艺的发展，掺镱光纤振荡器（后文简称“光纤振荡器”）输出功率和光束质量不断提升，与MOPA结构光纤放大器的差距正在逐渐缩小。

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研究背景与现状

1.1 科研领域

早在2004年，英国南安普顿大学Jeong等采用双向泵浦的空间光路结构，获得了1.36 kW近衍射极限的激光输出。2014年，美国Coherent公司采用976 nm LD对空间结构光纤振荡器进行后向泵浦，获得了输出功率3kW、光束质量M²=1.15的激光输出。

2019年，德国Laserline公司对空间结构光纤振荡器进行优化设计，获得了17.5 kW的功率输出，输出光束质量为8 mm·mrad。2020年，德国弗朗禾费激光技术研究所和Laserline公司合作，采用空间镜片结合刻写在增益光纤上的光纤光栅共同构成谐振腔，实现了输出功率8 kW、3 dB带宽为0.67 nm的空间结构光纤振荡器，结果如图1所示。

图1 基于增益光纤刻写光纤光栅的空间结构光纤振荡器实验结果  (a) 不同功率时输出光谱；(b) 不同功率时的中心波长

2010年，芬兰CoreLase公司推出1 kW全光纤振荡器产品。2016年以后，国内外多家单位持续发力，全光纤振荡器的输出功率也迅速从2016年的2 kW提升到2020年的8 kW。2020年1月，国防科技大学采用915 nm双端泵浦方案，获得了输出功率为6.03 kW，光束质量M²约为2.6的激光输出。

2020年3月，德国耶拿大学利用飞秒激光刻写光纤光栅，采用976 nm双向泵浦方案，实现了输出功率为5 kW、光束质量M²为1.3的全光纤振荡器。2020年，日本藤仓公司采用976 nm双端泵浦结构，实现了输出功率8 kW、光束质量0.5 mm·mrad的近单模全光纤振荡器，如图2所示。

图2 日本藤仓公司8 kW全光纤振荡器实验结果

 (a)不同功率输出光谱特性；(b)8 kW时光束质量特性

1.2 工业领域

2010和2015年，芬兰CoreLase公司先后推出1 kW和2 kW的全光纤振荡器产品。2015年，深圳创鑫激光在国内推出了1.5 kW的全光纤振荡器产品。2017年以后，美国Lumentum、国内GW激光、热刺激光、飞博激光、大科激光等公司都先后推出了各自高功率的光纤振荡器产品。2019年以来，Lumentum、GW激光、热刺激光、飞博激光等公司都实现了输出功率大于4 kW的光纤振荡器。

02

发展趋势

2.1 高功率输出是永恒的追求

在传统的科研、国防和某些特定的工业应用领域，不仅要求光纤激光器有较高的输出功率，还要求具有较好的光束质量。因此，继续提升激光器的输出功率和光束质量，是光纤振荡器发展永恒不变的追求。

2.2 功率提升与效率提升并重

在实际应用中，光纤振荡器的效率同样受到广泛的重视。在较早的工业产品中，为了保证激光器的稳定性，一般采用915 nm的LD作为光纤激光器的泵浦源。为了提高激光器的电光效率，近几年工业领域逐步开始采用976 nm的LD替代915 nm的LD。

2.3 面向实际应用的特种形态激光光斑

随着应用领域的扩展，尤其是对材料切割速度和切割效果有较高要求时，环形光斑等特种形态的激光得到了越来越广泛的应用。2018年之前，国外IPG、Coherent、NLIGHT等公司为了提升材料切割质量，采用多模块激光合束方式实现环形光斑输出。2018年以来，飞博激光推出了3 kW环形光斑光纤振荡器产品。国防科技大学在2019年也实现了输出功率大于5 kW的高功率环形光斑激光器。

2.4 激光波段向短波和长波扩展 

随着非线性频率变换、级联泵浦等应用领域的发展，光纤振荡器输出波长同时向短波（<1040 nm）和长波（>1100 nm）发展。以短波为例，2020年，美国IPG公司利用光纤振荡器在波长为1007 nm、1010 nm、1018 nm和1030 nm分别实现了0.75 kW、0.90 kW、1.33 kW和1.40 kW的单模激光输出。

03

功率提升关键技术

3.1 高效率低损耗泵浦合束器

这是获得高功率高光束质量的前提。在光纤振荡器中，要获得足够高的输出功率，首先要能够注入足够高的泵浦功率。除了提高泵浦源的亮度外，研制侧边泵浦等新型高功率高效率低损耗的双向泵浦合束器是提升光纤振荡器输出功率的前提。

3.2 高效率、低吸收的LD

这是提高激光器输出功率和效率的关键。当前普遍采用976 nm的LD替代915 nm的LD。由于增益光纤的单位长度热负荷在976 nm泵浦时比915 nm泵浦时高，光纤激光器的模式不稳定（TMI）阈值在976 nm泵浦时比915 nm泵浦时低。

为了同时提高光纤激光器的效率和功率，需要优选一个可以平衡TMI效应和受激拉曼散射（SRS）效应的高效率、较低泵浦吸收系数的泵浦源。

3.3 新型增益光纤

这是平衡非线性和TMI效应的有效技术手段。为了平衡高功率光纤激光器中的非线性和TMI阈值，本课题组提出一种纤芯直径在光纤两端小、中间大的纺锤形增益光纤。

利用该类光纤搭建光纤振荡器时，小芯径区域通过设计为严格单模或少模光纤，结合弯曲选模的方式可以有效保证激光的单模特性、提高TMI阈值；而大纤芯区域提高了光纤的有效模场面积，可以提高激光器的SRS阈值。

3.4 特种光纤光栅

这是获得可控光束质量的有效技术方法。在影响TMI阈值的诸多方法中，降低高阶模反馈也是一种有效的方法。如果通过特种工艺刻写光纤光栅，使得光纤光栅对于特定模式高反射、对其他模式高透射。那么，利用该光纤光栅搭建光纤振荡器，可以通过谐振腔的反射特性优先支持特定模式的激光输出。

04

结论与展望

随着应用领域的扩展，对光纤振荡器的需求将越来越多，对光纤振荡器输出功率、光束质量的要求也会越来越高。然而，基于传统技术方案的近单模光纤振荡器在功率提升过程中遇到了较为显著的技术瓶颈。

综合采用增益光纤较低吸收波段的特种波长LD、特种泵浦信号合束器、纤芯直径渐变的增益光纤、锥形光纤端帽等新器件和新技术，可以进一步提升非线性效应和TMI效应的阈值，有望实现输出功率大于10 kW的近单模光纤振荡器。

全文链接：王小林,张汉伟,杨保来,奚小明,王鹏,史尘,王泽锋,周朴,许晓军,陈金宝. 高功率掺镱光纤振荡器: 研究现状与发展趋势[J]. 中国激光, 2021, 48(4): 0401004

课题组介绍

国防科技大学前沿交叉学科学院高能激光技术研究所光纤激光研究课题组主要从事大功率光纤激光器的前沿基础理论、数值仿真设计、特种光纤器件研制、大功率光纤激光器研发等工作。

在前沿基础理论方面，主要开展光纤激光器非线性效应和模式不稳定效应的产生机理、抑制方法研究。在数值仿真设计方面，基于基础理论研究成果，联合合作单位开发国内首套光纤激光仿真软件SeeFiberLaser，用于光纤激光器的仿真和设计；在关键器件研制方面，主要开展特种有源无源光纤、光纤光栅、合束器、包层光滤除器、光纤端帽等器件的设计与研发；在激光器研发方面，主要开展连续和脉冲体制的大功率光纤激光振荡器、光纤激光放大器和新型光纤激光器的设计与研发。

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