０ 引 言

光纖激光器被認(rèn)為是第三代激光器，其與傳統(tǒng) 的紅寶石激光器及 ＹＡＧ（釔鋁石榴石）激光器相比 具有良好的光束質(zhì)量、單色性與穩(wěn)定性，并且還具有 電光轉(zhuǎn)化效率高、維護(hù)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重 量輕及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)千瓦級(jí)、萬(wàn)瓦級(jí) 高功率光纖激光器的興起，極大地拓寬了光纖激光 器應(yīng)用領(lǐng)域。在工業(yè)加工方面，數(shù)百瓦高功率光纖 激光器廣泛用于五金、眼鏡、衛(wèi)浴及廣告字焊接，數(shù) 千瓦高功率光纖激光器在金屬切割、熔覆等方面優(yōu)

１ 高功率光纖激光器的發(fā)展歷程

１９６０年，世界上出現(xiàn)了第１臺(tái)真正意義上的激 光器，系紅寶石激光器。次年，Ｅ．Ｓｎｉｔｚｅｒ研制 出 第１臺(tái)摻釹（Ｎｄ３＋ ）光纖激光器。一年后，Ｈ．Ｗ． Ｅｔｚｅｌ等人成功研制出第１臺(tái)摻鐿離子（Ｙｂ３＋ ）的光 纖激 光 器，即 目 前 最 常 見(jiàn) 的 １μｍ 波 長(zhǎng) （１．０６４ μｍ／１．０８０μｍ）光纖激光器。但由于光纖的損耗較 高，導(dǎo)致能量無(wú)法長(zhǎng)距離傳輸，因此在此后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，光纖激光器的發(fā)展陷入了低谷。直到２０ 世紀(jì)７０年代初，康寧公司根據(jù)高錕等人提出的理論 研制出損耗４ｄＢ／ｋｍ 的光纖，使得１．５５μｍ 波長(zhǎng)摻 鉺（Ｅｒ３＋ ）光纖 激 光 器 迎 來(lái) 了 發(fā) 展，但 由 于 Ｅｒ的量 子虧損較大，導(dǎo)致其無(wú)法實(shí)現(xiàn)高功率輸出。綜上，早 年光纖激光器的功率較低，大多在瓦級(jí)甚至毫瓦級(jí) 以下，以１．５５μｍ 通信波段摻鉺光纖激光器較為著 名，其主要用于光纖放大器，１．０８μｍ 波段的光纖激 光器主要用于微電子及激光打標(biāo)等。

１．２ 近３０年的發(fā)展歷程

１．２．１ 國(guó)外發(fā)展情況

１９９３年，ＨｏｎｇＰｏ等人研制出摻釹雙包層光纖 激光 器。２００２ 年，Ｊ．Ｌｉｍｐｅｒｔ 等 人 研 制 出 鉺 鐿 （Ｅｒ３＋／Ｙｂ３＋ ）共摻的雙包層光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了１５０ Ｗ 的單模連續(xù)激光功率輸出，大大推動(dòng)了高功率摻 鐿光纖激光器的開(kāi)發(fā)。２００９年，光纖激光器的全球 領(lǐng)跑者ＩＰＧ 公司基于同帶泵浦技術(shù)使用１．０１８μｍ 的激 光 作 為 泵 浦 光，首 次 實(shí) 現(xiàn) 了 單 纖 單 模 輸 出 １０ ｋＷ，光束 質(zhì) 量 因 子 Ｍ２ ＜１．３１。２０１２年，ＩＰＧ 公 司的單纖單模功率達(dá)到了２０ｋＷ。截至２０１９年 １月，ＩＰＧ 公司 的 光 纖 激 光 器 最 高 輸 出 水 平 為 單 模 ２０ｋＷ 與多模５００ｋＷ。圖１示出了國(guó)外光纖激光 器單纖單模激光功率Ｐ 的提升情況，可以看出從 １９９７年至２０１２年，光 纖激光器的單纖單模輸出功 率水平的提升大致為２．０ｄＢ／ａ，約合１．５８倍／ａ。


２ 高功率光纖激光器的技術(shù)演進(jìn)

光纖激光器功率水平的提升主要借助于三方面 的技術(shù)發(fā)展：ａ．光纖激光器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使其可在降 低系統(tǒng)溫升的情況下提高輸出功率；ｂ．有源光纖、泵 浦源、合束器等光纖激光器核心器件的功率水平的 提升，為激光器高功率輸出提供了硬件保障；ｃ．光纖 處理設(shè)備的升級(jí)，包括大芯徑光纖切割刀、熔接機(jī)、 再涂覆機(jī)等性能的提升，使得光纖熔接點(diǎn)的損耗、發(fā) 熱大幅降低，從而對(duì)提升激光器的損傷閾值有極大 的益處。

３ 高功率光纖激光器技術(shù)發(fā)展瓶頸

雖然高功率光纖激光器相關(guān)技術(shù)有了快速的發(fā)展，但如果希望獲得更高的功率輸出則目前仍然存 在諸多技術(shù)瓶頸。相關(guān)研究表明，基于大模場(chǎng)摻鐿 石英光纖和二極管激光器泵浦的光纖激光器在理想 的情 況 下 最 高 可 實(shí) 現(xiàn) 單 纖 單 模 輸 出 功 率 為 ３６．６ｋＷ，但目前報(bào)道的光纖激光器輸出功率遠(yuǎn) 低于此。經(jīng)研究，光纖激光器輸出功率的受限因素 主要包括泵浦功 率、受 激 拉 曼 散 射（ＳＲＳ）以及 熱 透 鏡效應(yīng)。

４ 總 結(jié)

２０１７年，全 球 光 纖 激 光 器 市 場(chǎng) 為 ２０．３９ 億 美 元，預(yù)計(jì)２０２１年將 增 至２８．８５億美 元。從ＩＰＧ 公 司的銷售數(shù)據(jù)來(lái)看，其高功率光纖激光器銷售額將 達(dá)８．６７億美元，約占其光纖激光器銷售額的７１％， 且增速接近５０％。由此，可以預(yù)計(jì)未來(lái)高功率光 纖激光器仍然是光纖激光器市場(chǎng)的主力軍，提升光 纖激光器的輸出功率是占據(jù)未來(lái)市場(chǎng)必要條件。