高功率双包层光子晶体光纤激光器研究

李延楠

摘 要：高功率双包层光纤激光器是一种新型激光器系统，包含光纤光栅技术、激光二极管泵浦源技术、双包层光纤制作技术和耦合技术。近年来，在国内外激光领域内引起了研究者们的广泛关注。文章在目前国内外已有研究的基础上，围绕高功率掺镱双包层光纤激光器，从应用前景、主要问题、主要优点、核心器件和未来发展五个方面进行深入探讨，梳理出近年来高功率光子晶体光纤激光器发展脉络，以期能为研究者提供深入研究的信息。

关键词：高功率;光子晶体光纤;激光器

中图分类号：TN248 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）03-085-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.03.039

1 高功率激光器应用前景

光纤激光器以其宽窄线、低阈值、可调谐、高效率、高性价比和紧凑小巧等特点受到广泛关注，稀土掺杂光纤激光器更是被广泛应用于工业加工、军事、通信、测量、传感和医疗等方面。特别是近年来，高功率双包层光纤激光器的研究得到了飞跃进步，美国SDL、IPG和俄罗斯的IRE Polus等公司，均可以生产高功率双包层光纤激光器产品。IPG的连续掺镱光纤激光系统，功率范围从1W能够达到5万W，其主要作用在多种材料的加工。IPG光子总裁Valentin Gapontsev博士说过：“高功率光纤激光系统的应用价值非常高，因为其可以实现其他激光技术无法达到的许多应用。”如今，在欧美等地区的很多发达国家，激光加工技术被实际运用在约50%到70%的汽车零部件生产上，上海大众等汽车制造厂商也在使用激光加工技术进行车身和箱体等部分的焊接;日本川崎重工和其他一些造船企业，使用了高功率平板激光切割系统进行作业;日本和欧美国家的部分大型船厂都已经大规模配备激光加工技术，如具有一定危险性、同时又费时费力的机械加热成型工艺，能够被发展前景良好的激光辅助平板成型技术所取代;德国Meyer&Werft配备了4台CO2激光器（12kW），用于焊接不同长度的船用加劲肋;欧美一些国家正在开发工业级的光纤激光器，其输出功率分别能达到2kW和6kW。德国国家材料及化学技术研究所（BAM）于2005年10月置备完成一套2万W的二极管泵浦掺镱光纤激光系统（YLR-20000），其是全球性能最好的商用固体激光器，主要作用是研究合金和钢等不同材料的处理加工，在材料加工方向上为光纤激光技术开辟了新途径。中国目前已经研制出一系列中小功率激光加工设备和小功率工业光纤激光产品，如激光打标机、切割机、焊接机、雕刻机等，各行各业都有了广泛应用。但是，大功率光纤激光器在工业加工方面的应用还尚未起步，激光加工处理技术并未被应用于我国的船舶制造工业中[1]。

2 目前商品化高功率光纤激光器的主要问题

当前的常规掺Yb3+双包层石英光纤，是利用纤芯和光纤包层的材料的不同，从而调整其折射率差。但光纤的损坏率较高，这是由于波导结构的限制，维持单模传输的纤芯面积和光纤包层的数值孔径较小，致使激光器高功率运作时，纤芯的能量过于密集，从而出现一些非线性效应;同时，材料掺杂不均还可能造成散射损耗。这几点缺陷阻碍了光纤激光器性能的继续发展。随着20世紀90年代中期第一根光子晶体光纤（PCF）的出现，构建有源光纤设备有了新的载体。

3 高功率光子晶体光纤激光器的优势

把PCF设置成双包层结构，在内包层的周围悬空放置硅网，硅条的厚度要小于传输波长，这样形成的空气包层，能有效增加PCF内包层的数值孔径，缩小内包层的直径，同时还保持了对泵浦光的吸收不变。并且由于增大了纤芯与内包层的面积比，更有利于纤芯对泵浦光的吸收，缩短PCF的工作长度。设计为大模面积和缩短吸收长度，能够明显削减非线性效应。此外，因为PCF具有无限单模传输的特性，使用多芯双包层PCF可实现激光的相干合成，会显著增强光纤激光器的光束质量和输出功率，对光纤激光技术的发展必然会起到巨大的推动作用。

4 核心元件-双包层多芯掺杂光子晶体光纤制备

由于PCF的开发技术和其他方面的局限性，当前我国的研究仅限于低功率和中功率的PCF激光器，且所用PCF全部来自进口，尚未见报道国产光子晶体光纤用于高功率激光器的研究。笔者的研究目标是完成一个可以输出千瓦级（如果使用更大的泵浦源，输出功率还能更高）的高功率光纤激光系统。为此，要完成高功率运转的稀土掺杂双包层微结构光纤的研究与制备。

4.1 纤芯掺杂玻璃的配方研发

在玻璃熔炼和配方设计调整过程中，为了缩短研发周期，往往需要事先根据玻璃所要求的各项性质对玻璃成分进行估算设计，以免进行不必要的探索试验和浪费原材料。分析造成这一现象的原因，通常来说激光玻璃由稀土离子和多组分的基质玻璃熔炼获得，基质玻璃中有许多可选组分，而每种组分按不同比例配比又会得到不同物化性能的玻璃。所以在玻璃制备过程中，配方设计是尤为重要的一个环节[2]。从预测软件和理论计算，可以在一定范围内缩小考察范围，得到一系列的物理、化学和光学性能参量，并给出后期准备玻璃的温控范围。以下给出可能的优秀实验配方，结果充分说明了这些都是能生成玻璃态的配方，经过冷却可以形成玻璃，从实验结果中也发现了合适的激光玻璃。玻璃准备和后期性能检测实验前后经历一年多时间，但这已经大大缩短了研发周期，进一步体现出理论研究的巨大作用。

4.2 纤芯掺杂材料的制备工艺

硅酸盐样品是由传统的高温熔融技术制备的。与MCVD溶液掺杂法相比，用高温熔融法制备玻璃样品，能有效提高稀土离子浓度，促进掺杂光纤大功率激光的输出。制备过程为：首先使用电子天平精确称重，再在玛瑙研钵内细磨30min，使其充分混合均匀，小心避免药品外溅。将样品放进预先加热至200℃的刚玉坩埚中，继续在马弗炉内预热30min;然后放入预热至600℃的硅碳棒电炉，迅速升温至850℃后保温2h，再升温至1200℃保温1h，快速加热至1600℃保温3h，在30min内降温到1500℃保温1h;最后将其倒在预热至300℃的铁质模具上成型后快速放入退火炉精确退火（5℃/min）至室温。具体制备工艺流程图如图1所示。

图1 具体制备工艺流程图

4.3 对现有拉丝塔的设备改造

现有的商用化拉丝设备都是为普通光纤设计研发的，目前市场上没有直接为光子晶体光纤研发的专业拉丝塔，一般都是在原有拉丝塔基础上人为改造或者外加设备，完成拉丝质量差、效率低，很难达到商用价值的光子晶体光纤，这为后期激光器的自主研发带来了限制。

5 高功率光纤激光器的未来发展

高功率全固态激光制造是先进制造领域的标志性核心技术之一，可广泛应用于在国民经济中发挥关键作用的材料加工领域，如汽车、铁路、航空和船舶等。全固态激光的广泛应用，引发了多个领域的技术变革与产品升级。我国目前正处于从加工大国过渡到制造大国的关键时期，全面提升我国制造业的技术创新能力、自主开发能力和国际竞争能力，尽快结束我国在前沿制造领域的关键成套装备基本依赖进口的现状，具有十分重要的意义。“十一五”之前，我国所有的高功率全固態激光器全部依赖进口，关键成套加工设备达不到国产化，已成为制约我国汽车制造、机械制造、航天航空业、船舶制造业等自主发展的瓶颈，不仅价格昂贵，而且受到各种限制，阻碍了我国先进制造业的发展。这些应用技术还具有综合技术集成的特点，可带动相关关键技术领域的跨越式发展，形成新的高新技术产业群，获得更大的经济效益[3]。以激光器件技术开发突破带动上游的晶体材料和下游的产业化应用技术链的整体贯穿、平衡发展，可以让技术优势转为产业产品优势，以全固态激光技术为基础推动产业群发展，形成广泛的社会和经济效益。随着连续光纤激光器的功率不断提升，激光加工市场的不断成熟扩大，高功率连续激光器的使用场合和数量越来越多;以往4kW、6kW就认为是高功率了，如今12kW、15kW都不算最高。根据各个展会的参展情况来看，2020年疫情过后万瓦产品成为市场主流产品，如创鑫激光2020年发布了40kW多模连续激光器成为行业讨论的热点，在行业里掀起了一股万瓦级高功率的风潮。由此看来，未来制造业快速发展催生技术更新需求，将拉动激光器和激光加工设备朝着高功率方向发展。

参考文献

[1] 宋有建，胡明列，谢辰，等.输出近百纳焦耳脉冲能量的光子晶体光纤锁模激光器[J].物理学报，2010（10）：7105-7110.

[2] 牛静霞，周桂耀，侯蓝田，等.光子晶体光纤在光纤激光器中的应用[J].光通信技术，2009（1）：44-47.

[3] 楼祺洪，周军，朱健强，等.高功率光纤激光器与放大器[A].光子科技创新与产业化—长三角光子科技创新论坛暨2006年安徽博士科技论坛论文集[C].合肥：安徽人民出版社，2006.