高平均功率光纤激光——光场特性灵巧可控

作者：周朴 许将明

封面|周朴, 冷进勇, 肖虎, 马鹏飞, 许将明, 刘伟, 姚天甫, 张汉伟, 黄良金, 潘志勇. 高平均功率光纤激光的研究进展与发展趋势[J]. 中国激光, 2021, 48(20): 2000001

【封面解读】

封面体现了高功率光纤激光的脉冲、光谱、模式等特性灵巧可控。高功率光纤激光系统利用较低亮度的泵浦源泵浦大模场光纤实现高亮度激光输出，可为先进制造、能源勘探、国家安全等领域的应用提供“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”。在激光材料与器件、非线性效应调控、激光合成技术等研究不断取得突破的基础上，光纤激光在输出功率持续增长的同时，呈现出脉冲（时域）、光谱（频域）和模式（空域）特性灵巧可控的特征，有望继续为相关应用带来技术革新。

高平均功率光纤激光具有结构紧凑、电光效率高、可柔性操作等特点，在先进制造、能源勘探、国家安全等领域都有重要应用需求。近年来，在激光材料与器件、非线性效应调控、激光合成技术等研究不断取得突破进展的基础上，光纤激光在输出功率持续增长的同时，呈现出脉冲（时域）、光谱（频域）和模式（空域）等光场特性灵巧可控的特征。

泵浦方式：从单一走向多元

“半导体激光+掺镱双包层光纤”是高功率光纤激光系统的标准配置。近年来，随着半导体激光亮度的飞速提升以及新科学问题的不断发现，光纤激光的泵浦方式逐渐由原先“半导体激光泵浦”的单一方式走向多元，并推动了光纤激光技术的发展。

1、半导体激光泵浦的高功率光纤激光

近10年来，半导体激光的亮度增加了一个量级以上，而成本降低了七成多，这为基于半导体激光泵浦的高功率光纤激光研制提供了良好的技术条件。基于半导体激光泵浦的光纤激光输出功率持续提升，已有多家单位实现单纤万瓦级功率输出。

2、级联泵浦技术广泛使用

除了能大幅提升泵浦源的亮度外，级联泵浦技术在热管理方面也有优势，第一台万瓦级单模光纤激光就是采用级联泵浦技术实现的（图1）；此外，用于泵浦掺铥、钬等增益光纤的半导体激光的亮度提升相对较慢，因此对高亮度泵浦源仍有较大需求。

图1 万瓦级单模光纤激光结构示意图

[High power laser handbook. McGraw-Hill Education, 2011.]

3、基于新型泵浦技术的高功率光纤激光

随着高功率光纤激光研究的不断深入，泵浦源的功能不再仅仅是“能量供给站”。研究表明，泵浦强度噪声对高功率激光模式不稳定效应、非线性效应的产生阈值具有重要影响；调控泵浦源线宽等特性，可提高激光器输出性能。

系统结构：从放大器结构到谐振腔结构、无腔结构

1999年实现的百瓦级光纤激光标志着光纤激光实现高功率输出从预测变成了现实。在从百瓦级至千瓦级的过程中，激光器大都是谐振腔结构。此后，由于器件承受功率、泵浦亮度等因素，更高功率的输出以放大器结构为主。近年来，随着无源器件制备工艺和半导体激光亮度的提升，谐振腔结构光纤激光输出功率迅速提高；另外，无腔结构光纤激光等新概念也被提出并迅速实现。

1、谐振腔结构高功率光纤激光

近年来，随着光纤光栅制备工艺改进、半导体泵浦源亮度提升，光纤激光谐振腔的输出功率得到了飞速提升。目前，日本藤仓公司是这一领域的领军单位，已实现8 kW高光束质量输出，并且应用于激光加工等场合。国内技术进步也非常明显，3年时间内先后突破实现4 kW、5 kW、6 kW、7 kW功率输出。

2、无腔结构高功率光纤激光

2010年前后，英国Aston大学课题组提出了一种基于“随机分布式反馈+拉曼放大”机理的激光产生方法，不需使用谐振腔结构即可产生激光输出，具有结构简单、波长灵活、产生激光时序稳定等优点，近年来输出功率已经从十瓦量级提升至千瓦级，并通过功率放大的方式实现5 kW功率输出、窄线宽千瓦级功率输出，在非线性频率变换、激光泵浦等领域得到广泛应用。

激光波长：从短波到长波、从可见光到中红外

目前，高功率光纤激光大都是基于掺镱光纤实现的、中心波长在1.06~1.08 μm附近。实际上，掺镱光纤的辐射谱覆盖了0.96~1.2 μm，虽然其它波段的净增益相对较小、难以实现高功率输出，但由于应用需求的牵引，上述领域也取得了重要进展。此外，基于其他增益介质（包括掺杂光纤和无源光纤）也实现了高功率输出。

1、特殊波长掺镱光纤激光

掺镱光纤的输出波段可分为短波波段（S）、常规波段（C）和长波波段（L），其中常规波段对应的掺镱光纤净增益相对较大，比较容易实现高功率输出，而短波和长波波段（统称为特殊波长）输出高功率难度较大。

尽管常规高功率光纤激光主要应用的工业加工等领域对激光波长并不敏感，但高功率泵浦、非线性频率变换等领域有时需要光纤激光工作在特殊波长。应用于级联泵浦的1018 nm光纤激光就属于典型的特殊波长光纤激光，2020年美国IPG Photonics 公司报道了1.3 kW 1018 nm光纤激光；此外，更短波长输出（如980 nm、1010 nm等）也已有相关报道。

2、高功率拉曼光纤激光

鉴于掺杂光纤在部分波段净增益小、难以实现高功率输出的难题，科研人员通过引入拉曼增益来实现特殊波长的高功率激光输出。

随着激光物理研究的不断深入，基于无源光纤的拉曼激光以及基于“有源光纤+无源光纤”的混合增益机制也成为一种实现高功率输出的重要技术途径。近年来，基于无源光纤的拉曼激光功率已经突破3 kW（图2），高功率拉曼光纤激光正在进入一个高速发展的阶段。

图2 高功率拉曼激光输出功率的提升过程

3、可见光与中红外光纤激光

由于增益介质制备和泵浦源亮度等因素，获得高功率可见光输出通常采用近红外变频等方式。近年来，得益于工艺和技术的进步，国内外多家单位在使用半导体激光直接泵浦掺杂光纤实现高功率可见光输出方面取得了重要进展，目前已经实现（数）瓦级输出。

在中红外波段，加拿大Laval大学的2.8 μm波段中红外激光的输出功率突破了40 W，并且有超过100 h（输出功率大于20 W）的长时间稳定工作报道。

激光线宽：从超窄线宽到超连续谱

依照目前文献对线宽的通用描述方式，高功率光纤激光大致可分为：

一是单频激光（单纵模激光），线宽通常在100 MHz以内，也有很多更窄的文献报道。

二是窄线宽激光，对于窄线宽的“窄”尚没有统一的定义。由于目前它的主要应用领域是光束合成和非线性频率变换等对相干性有一定要求的场合，常规高功率光纤激光的线宽一般在数nm量级，本文将窄线宽激光定义在< 1 nm量级。

三是常规激光，典型值是数个nm。

四是宽谱激光，通常采用超荧光等方法产生，线宽宽于常规激光，窄于超连续谱。

五是超宽谱激光，主要指高功率超连续谱，它的线宽值已经宽于常规掺杂离子的增益谱，需要通过光纤中的非线性效应实现。

目前，全光纤结构的单频、窄线宽、常规、宽谱和超宽谱激光的最高输出功率分别为500 W级（图3）、5 kW级、20 kW级、3 kW级和400 W级，具有一定程度的“对称性”。尽管最高输出功率存在量级上的区别，但由于不同场景对功率的需求不同，五种不同类型的光纤激光器已经并将继续在各自的应用领域大放异彩。

图3 550 W级全光纤结构单频激光的系统结构

[Opt. Express, 2020, 28(14): 20908-20919]

高平均功率脉冲光纤激光器

高功率脉冲光纤激光器主要可以分为准连续、纳秒、皮秒和飞秒等类型。

2015年，美国IPG Photonics公司报道了千瓦级准连续窄线宽光纤激光，并利用该激光作为泵浦源进行非线性频率变换，获得了700 W 532 nm绿光和160W 355 nm紫外光输出；目前高功率准连续光纤激光的平均/峰值功率已经达到2 kW/20 kW。

2014年，德国Jena大学课题组采用1 m长的棒状光子晶体光纤作为放大器增益介质，实现了纳秒脉冲激光2 kW平均功率输出，光束质量因子M2约为3。目前高功率纳秒光纤激光的平均功率已经达到2 kW（脉宽在25~100纳秒，重频2~50 kHz可调），最大脉冲能量可达100 mJ。

皮秒/飞秒脉冲激光峰值功率高，更容易产生非线性效应，基于棒状光纤的空间结构高功率光纤激光在抑制非线性方面有优势，而基于全光纤结构的超快激光在可柔性操作性等方面有优势，近年来成为这个领域的研究热点。

皮秒激光方面，目前最高输出功率已经达到600 W级；飞秒激光方面，2013年美国PolarOnyx公司实现了全光纤结构飞秒激光千瓦级输出。

技术发展趋势

高功率光纤激光技术呈现出向“可控”方向发展的趋势：

一是激光脉冲特性可控。激光的脉冲特性包括重复频率、脉宽、波形等多个方面。通过“种子”+“放大”结构，科研人员很早就实现了对激光的重复频率和脉宽的控制。

近年来，基于放大器中的增益饱和等物理效应，科研人员提出了“预调制”、“预补偿”等方式，通过引入计算科学和光电混合系统，也实现了脉冲波形的几乎任意可控输出。

二是激光光谱特性可控。激光的光谱特性包括中心波长、线宽、谱型等多个方面。尽管很早就实现了中心波长调谐，但是可调谐范围一般在百纳米级以内。

近年来，随着非线性效应的引入，上述调谐范围已经被大大拓展，中国科学院上海光机所课题组实现了近千纳米范围内的中心波长可调谐输出（图4）。线宽可调谐的高功率光纤激光近年来也取得了一系列成果。

图4 近千纳米范围可调光纤激光器及其输出功率特性

[IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 2018, 24(3): 1400106]

三是空间模式特性可控。依照输出的空间模式特性，高功率光纤激光主要分为单模光纤激光和多模光纤激光两类。一般而言，模式特性可控的激光输出功率较低，主要应用在通信等场合。

近年来，随着光纤器件技术的发展和制造类应用需求的牵引，空间模式可控的光纤激光已实现千瓦级以上功率输出。模式可控的高功率光纤激光是当前先进制造领域的热点，有可能会带来重要的技术革新。