7大类光纤激光器前沿技术，你了解多少？

来自：史伟 光电汇OESHOW 1周前，来自专辑，大咖说激光器，江苏激光联盟转载

光纤激光器诞生于20世纪60年代。随着玻璃光纤材料的发展、高功率光纤器件的成熟化以及高亮度高功率半导体抽运源的商用化，光纤激光技术得到了飞速发展。如今，光纤激光技术深刻改变着我们的世界和生活。

一、光纤激光器基本原理与分类

光纤激光器基本原理与分类

在光纤激光器中，光纤充当着增益介质的角色。最早是单包层的光纤激光器，抽运激光与输出激光均在纤芯中传输，由于纤芯的数值孔径较小，对抽运亮度要求相对较高，输出功率相对较低，可用光纤放大器对其进一步放大以满足应用。

双包层光纤激光器出现后，光纤激光技术得到革命性发展，内包层的数值孔径较大，低亮度抽运光可在内包层中传输，高亮度激光在纤芯中传输，对抽运亮度要求低，可以耦合进入内包层的抽运光功率得以大幅提升，进而大幅提升了双包层光纤激光器的输出功率。

按照工作模式，光纤激光器可以分为：连续光纤激光器与脉冲光纤激光器。目前，连续光纤激光器输出功率已超万瓦，工业化大功率连续光纤激光器主要应用于激光切割、焊接、熔覆等领域；脉冲光纤激光器有纳秒、皮秒、飞秒之分，工业化较成熟的脉冲光纤激光器是纳秒脉冲光纤激光器，脉冲能量可达到几十毫焦量级，主要应用于激光打标、激光清洗等领域，超快光纤激光器目前发展迅速，主要是激光冷加工、硬质材料加工、精细加工等工业应用。

按照腔形，光纤激光器可以分为：线性腔光纤激光器与环形腔光纤激光器。线性腔光纤激光器为驻波腔结构，高功率双包层光纤激光器一般采用线性腔体结构；环形腔光纤激光器为行波腔结构、通常采用单模光纤及器件，可作为光通信的光源及种子激光。

按照输出纵模，光纤激光器可以分为：单频与非单频光纤激光器。单频光纤激光器为单纵模输出、相干性高，但SBS效应阈值低；多纵模光纤激光器的光谱相对较宽，包含多个纵模，相干性相对较差，但不易受SBS效应影响。

按照系统结构，光纤激光器可以分为：单振荡器结构光纤激光器与主振荡功率放大（MOPA）结构光纤激光器。单振荡器结构的光纤激光器特点为：结构简单，只包含一个激光谐振腔，目前单个连续型（CW）激光振荡器输出功率已达到~6 kW；MOPA结构的光纤激光器特点为：包含一个激光振荡器，一级或多级光纤放大器，基于MOPA结构的准单模连续型光纤激光器最大输出功率已达~20 kW。

非线性光纤激光器：利用光纤的非线性效应提供增益产生激光，如拉曼（Raman）光纤激光器、布里渊（SBS）光纤激光器、光纤参量振荡器（OPO）等。

按掺杂稀土离子分为：

掺镱光纤激光器：辐射波段1 μm；能级结构简单，无激发态吸收；量子转换效率高；吸收谱匹配商用高功率半导体激光（LD）抽运源；输出功率高（单模连续光输出~20 kW）。

掺饵及饵镱共掺光纤激光器：辐射波段1.5 μm，与通信波段匹配；人眼安全；利用铒离子与镱离子能级间的能量转换过程，提高对抽运光的吸收，进而提高激光效率。

掺铥光纤激光器：辐射波段2 μm；人眼安全；因存在能级间交叉驰豫作用，理论上具有200%量子效率；最高输出功率已破干瓦（连续）；在高功率/高能量激光输出方面具有巨大潜力。

光纤的玻璃基质材料及掺杂的稀土离子共同决定了激光器的输出波长，光纤激光器工作波段已覆盖可见光、近红外、中红外波段。

激光增益光纤的玻璃基质材料包括石英玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃及氟化物玻璃等，目前应用最广泛的激光增益光纤是石英玻璃光纤，技术成熟、性能优越，已实现广泛的商用化；波长传输范围覆盖广（0.38-2.1 μm），传输损耗低（最低0.2 dB/km）；折射率调节范围宽，易实现大数值孔径；机械强度高，弯曲性能好；切割、焊接、涂覆工艺成熟，易于实现光纤间的高强度、高质量耦合。

二、光纤激光器前沿技术发展情况

光纤激光器前沿技术发展情况

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高功率连续光纤激光器前沿技术

高功率连续光纤激光器主要分为：单纤单模高功率光纤激光器和基于激光合束的多模高功率光纤激光器。其中，单纤单模高功率光纤激光器一般采用单个光纤振荡器结构或MOPA结构。利用单纤单模激光器，采用光谱合成、相干合成的方法可以达到几十到几百千瓦量级的激光输出，合束过程中激光亮度会降低，但仍然保持较高亮度；在工业应用中，一般不要求有很高的亮度，可以利用单模组取得一定的功率，比如1000-3000 W单模激光，再利用光纤合束器进行非相干功率合成来达到高功率。

从国际上来看，美国IPG公司推出了单模10 kW，少模20 kW的连续光纤激光器，合束多模500 kW连续光纤激光器。

从国内来看，国防科大、海富光子、中国工程物理研究院拥有单纤千瓦级连续光纤激光器；创鑫激光推出了多模合束35 kW连续光纤激光器；锐科激光、飞博激光、海富光子、上海光惠、大科激光等推出了多模10-30 kW激光器。2017年，海富光子 道了使用半导体直接抽运的单纤8 kW光纤激光器。2018年中国工程物理研究院 道了基于国产光纤的单纤10 kW光纤激光器。2018年国防科大 道了基于国产光栅器件的5.2 kW连续激光振荡器。

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单频窄线宽光纤激光器前沿技术

单频窄线宽光纤激光器是单纵模输出，具备优异的单色性、相干性，可用在雷达传感领域，由于其前瞻性强，发展受到极大关注。该技术主要发展方向为超窄线宽、超低噪声、特殊波段、高能量、高功率等。

对于超窄线宽单频光纤激光器，2004年，NP photonics 公司 道了2 kHz线宽单频光纤激光器，基于DBR短腔结构的单频光纤激光器可以实现千赫兹量级的光谱线宽，已实现商用。2014年，国内研究开始跟上国际步伐，华南理工大学利用虚拟环形折叠腔降低空间烧孔效应，延长腔内声子寿命，得到600 Hz超窄线宽单频光纤激光。

对于特殊波段的单频光纤激光器，2012年，NP Photonics公司 道976 nm单频掺镜磷酸盐光纤激光器。同年， 道了1.2 μm单频掺钬ZBLAN光纤激光器，该激光器研制难度相当大。2013年，悉尼大学首次 道中红外2.9 μm单频光纤激光器，使用了基于Ho/Pr共掺 ZBLAN光纤。2015年，国内的天津大学、海富光子 道1.95 μm单频掺丢石英光纤激光器，并于一年后， 道了930 nm单频掺钕石英光纤激光器。NKT Photonics公司的单频光纤激光器产品销售近年来表现不俗，NP Photonics公司、Fibertek、Addvalue 等也一直致力于单频光纤激光器产品的生产和研发。目前，单频半导体激光器是单频光纤激光器一个强有力的竞争对手。

想要进一步提高窄线宽光纤激光器的功率，会遇到各种非线性的限制问题，受激布里渊散射（SBS）是限制单频光纤激光功率/能量提升主要因素。通常抑制受激布里渊散射的手段主要包括：增大纤芯模场面积，使用特殊光纤降低光场、声场重叠度，增大单位增益、减小光纤长度，施加温度及应力梯度降低SBS增益。

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高能量脉冲单频光纤激光器

2012年，NP Photonics公司首次 道的毫焦量级单频纳秒脉冲光纤激光器。

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高功率连续单频光纤激光器

2007年，康宁公司 道502 W、1064 nm单频连续光纤激光器，使用特种有源光纤，通过改变纤芯的掺杂成分与浓度，降低声场、光场重叠度，大幅提升了SBS阈值。

2009年，诺斯罗普格鲁曼公司 道608 W、2040 nm单频连续光纤激光器（2 μm波段最高功率）。

2014年，美国空军实验室 道811 W、1064 nm单频连续光纤激光器，这是目前已 道的最高功率单频1 μm输出。同年，国防科技大学 道了411 W、1064 nm单频连续光纤激光器，对主放大有源光纤施加纵向应力场，提升SBS阈值。这是目前已 道的全光纤结构光纤激光器的最高功率。

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高功率窄线宽连续光纤激光器

通过对单频光纤激光器的相位进行调制，可以将单频光纤激光器光谱线宽适当展宽，但仍保持单纵模特性，对光谱展宽后的窄线宽光纤激光器进行功率放大可以实现几千瓦量级的高功率连续光纤激光器。2016年，美国麻省理工大学 道了3.1

kW的窄线宽连续光纤激光器。此激光器包含透镜、双色镜等体光学元件。2018年，国防科技大学 道了全光纤结构的3.94 kW窄线宽连续光纤激光器，但出现了模式不稳定现象。2019年，中国科技大学、中国工程物理研究院 道了全光纤结构3.7 kW、1064 nm的窄线宽连续光纤激光器。

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高功率纳秒脉冲光纤激光器

对于纳秒脉冲光纤激光器，基于工业应用需求的研究相对较多。它主要是以调Q脉沖激光器或调制脉冲激光器作为种子激光，基于MOPA结构，通过级联光纤放大器，将脉冲能量/功率逐级放大。

2005年，密歇根大学 道了1 μm波段、87 mJ、24 MW峰值功率，且为空间结构的纳秒光纤激光器。2013年，耶拿大学 道1 μm波段单模、26 mJ高能量纳秒光纤激光器（空间结构），利用了拥有专利的特殊光纤，缺点是增益光纤不能盘绕弯曲。

目前，IPG有5000 W、100 mJ、100 ns 的光纤激光器产品。国内的天津大学、海富光子2013年 道了全光纤结构的11 mJ高能量纳秒光纤激光器。海富光子可以提供平均功率达1200 W，能量30-50 mJ的全光纤结构的工业级纳秒光纤激光器产品。同年，中佛罗里达大学 道了2 μm波段兆瓦级峰值功率纳秒光纤激光器，使用掺铥光子晶体光纤作为主放大器有源光纤。

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超快光纤激光器

超快光纤激光器一般通过锁模激光实现皮秒、飞秒激光脉冲，将向超短脉冲、新波段、高能量、高功率发展。

2010年，亚利桑那大学 道了14 fs超快飞秒光纤激光器。2011年，耶拿大学 道GW级峰值功率飞秒光纤激光器。2013年，天津大学 道了< 25 fs超快飞秒光纤激光器。2018年，耶拿大学 道了干瓦级平均功率飞秒光纤激光器，这是目前已知已 道的最大平均功率的飞秒光纤激光器。

2019年，上海光机所利用国产微结构光纤实现了1 μm波段272 W平均功率的皮秒光纤放大器。同年，北京工业大学 道了脉冲能量27 μJ飞秒光纤激光器，主放大级采用掺镱光子晶体光纤，采用光栅压缩脉宽至173 fs。2014年，北京大学 道了910 nm，935 nm锁模光纤激光器。拉瓦尔大学在中红外波段取得了不错的研究成果，2015年， 道了3 μm波段锁模光纤激光器。安扬激光等在超快光纤激光器研发方面有较多优秀成果。

国内外不少企业都在致力于研发生产超快光纤激光器产品，主要是提高其性价比和稳定性，以满足工业加工需求。

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中红外光纤激光器

对于中红外光纤激光器，目前研究比较多的是基于 ZBLAN光纤的3 μm波段中红外光纤激光器。未来，主要发展方向是高功率、全光纤化、中红外锁模、中红外超连续等。

2009年，京都大学 道了24 W中红外3 μm波段光纤激光器（空间结构，液冷）。2011年，拉瓦尔大学 道了20 W、3μm波段光纤激光器（全光纤结构，被动制冷），其中，将ZBLAN光纤焊接起来实现全光纤结构是一个大的突破。2018年，拉瓦尔大学 道了41.6 W中红外3 μm波段光纤激光器，是目前已 道最大功率的全光纤3 μm波段光纤激光器。

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超连续光纤激光器

超连续光纤激光器是一种新型激光器，同时具有普通光源( 自发辐射光)的宽光谱特性和单色激光光源的方向性、高空间相干性、高亮度等特征。超连续谱的产生通常是指窄带激光入射到非线性介质后，入射激光在多种非线性效应( 如调制不稳定性、自相位调制、交叉相位调制、四波混频、孤子自频移和受激拉曼散射等) 和色散的综合影响下，光谱得到极大展宽的现象。主要发展方向是高功率、中红外波段、更宽的超连续光谱覆盖范围。

在高功率方面，2015年，国防科技大学 道了基于激光合束的多模高功率200 W超连续激光。2018年，四川大学 道基于光子晶体光纤的高功率215 W超连续激光。北京工业大学等也有一些好的结果 道。

在中红外方面，2011年，密歇根大学 道了基于ZBLAN光纤的中红外超连续光纤激光。2019年，吉林大学 道了基于氟碲酸盐玻璃光纤的中红外超连续光纤激光，光谱范围覆盖1-4 μm。

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其他光纤激光器

2019年，上海光机所 道了一种新型掺镱锁模拉曼光纤激光器，使用“8”自腔结构锁模。同年，清华大学 道了4 kW同带抽运随机光纤激光器，是已 道该类激光器中的最高功率。

三、小结

小 结

总体来说，光纤激光器发展历史悠久，但又充满活力；它结构简单，种类繁多；各类型光纤激光器相关领域研究火热，前沿技术突飞猛进。从光纤激光器材料、结构、性能等各方面还有许多问题需要研究。

http://www.dkphotonics.com/blog/fiber-laser-welding-some-traits-and-applications1/