在“十二五”863計(jì)劃新材料領(lǐng)域“先進(jìn)激光材料及全固態(tài)激光技術(shù)”主題項(xiàng)目支持下，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所承擔(dān)的“千瓦級(jí)光纖材料及全光纖激光器”課題取得重大進(jìn)展，在近期通過了課題技術(shù)驗(yàn)收。

　　課題解決了低光子暗化摻鐿光纖、高功率光纖光柵、高功率泵浦合束器的國(guó)產(chǎn)化制備技術(shù)，開發(fā)出雙包層光纖、光纖光柵和泵浦合束器系列產(chǎn)品或樣品，形成了一套擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高功率光纖材料與核心部件的制備工藝技術(shù)，所開發(fā)的摻鐿光纖與核心部件應(yīng)用在千瓦級(jí)光纖激光器產(chǎn)品中。

　　掌握了千瓦級(jí)全光纖激光器的整機(jī)集成及規(guī)模化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)工藝，實(shí)現(xiàn)了數(shù)百瓦到千瓦級(jí)單模全光纖激光器的批量化生產(chǎn)，打破了國(guó)外壟斷。所開發(fā)的系列高功率全光纖激光器已在金屬薄板切割、焊接等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。

　　課題實(shí)施期間，成立了2家專業(yè)從事高功率光纖激光器研發(fā)生產(chǎn)的高科技公司，組建了專業(yè)化的生產(chǎn)示范線，實(shí)現(xiàn)了數(shù)百瓦到千瓦級(jí)光纖激光器的產(chǎn)業(yè)化。2012年，形成了小規(guī)模生產(chǎn)銷售能力。

　　作為目前先進(jìn)的工業(yè)加工用高功率激光器，單模千瓦級(jí)以上全光纖激光器我國(guó)還大量依賴進(jìn)口。高功率全光纖激光器與智能機(jī)器手技術(shù)相結(jié)合，使得實(shí)現(xiàn)高功率激光加工（如焊接、切割、融覆、3D打印等）的柔性化和智能化成為可能，是目前國(guó)內(nèi)外激光加工裝備的重要發(fā)展趨勢(shì)。作為制造業(yè)大國(guó)，我國(guó)對(duì)該類高效率全光纖激光器有較為廣泛的應(yīng)用需求，市場(chǎng)前景廣闊。

　　國(guó)內(nèi)外高功率光纖激光器研發(fā)歷程回顧

　　從1960 年第一臺(tái)激光器（美國(guó)Maiman 等首先用紅寶石晶體獲得了激光輸出） 問世到現(xiàn)在近50 年過去了， 激光技術(shù)確如人們所期， 滲入了各行各業(yè)：通信、生物技術(shù)、醫(yī)學(xué)、印刷、制造、軍事、娛樂業(yè)等。在某些領(lǐng)域，它已經(jīng)成為不可替代的核心技術(shù)。但是激光產(chǎn)業(yè)規(guī)模還不夠大，究其原因，不是人類不需要激光，而是傳統(tǒng)激光器不好用：成本高、效率低、故障多。光纖激光器的出現(xiàn)帶來了擴(kuò)大激光產(chǎn)業(yè)規(guī)模的希望。光纖激光器激光光束質(zhì)量好， 電-光轉(zhuǎn)換效率高，輸出功率大；所有的半導(dǎo)體器件及光纖組件都可以融接成一體，避免了元件的分立，可靠性得到極大提高。

　　1.國(guó)外高功率光纖激光器發(fā)展概況

　　光纖激光器的最早有關(guān)研究可以追溯到20 世紀(jì)60 年代初期，當(dāng)時(shí)激光器剛剛出現(xiàn)不久，人們對(duì)激光器的研究投入了極大熱情，積極研制開發(fā)各種新型激光器。1961 年，美國(guó)光學(xué)公司的E. Snitzer 等在光纖激光器領(lǐng)域進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作， 他們利用棒狀摻釹（Nd3+）玻璃波導(dǎo)獲得了波長(zhǎng)1.06μm 的激光。

　　20 世紀(jì)70 年代，光纖通信的研究開始起步，新興的光纖通信系統(tǒng)對(duì)新型光源的需求極大地刺激了激光器的研究工作。但由于人們的注意力集中到迅猛發(fā)展的半導(dǎo)體激光器技術(shù)上，以及光纖激光器自身的一些當(dāng)時(shí)無法克服的困難，光纖激光器的研究逐漸沉寂下來。盡管如此，仍然取得了一些值得一提的成就。例如，1973 年，J. Stone 等成功地研制出能夠在室溫下連續(xù)工作的摻釹光纖激光器，他們采用的半導(dǎo)體注入型激光器終端泵浦方式對(duì)以后實(shí)用型光纖激光器的研究具有重要的意義。20 世紀(jì)80 年代， 英國(guó)Southampton 大學(xué)的S. B.Poole 等用MCVD 法成功地制備了低損耗的摻釹和摻鉺光纖，因?yàn)閾姐s光纖光纖激光器的激射波長(zhǎng)恰好位于通信光纖的1.55μm 低損耗窗口， 人們開始認(rèn)識(shí)到光纖放大器和光纖激光器在提高傳輸速率和延長(zhǎng)傳輸距離等方面無疑將給光纖通信帶來一場(chǎng)革命。摻鉺光纖放大器（EDFA）得到了迅速的發(fā)展并成為一項(xiàng)成熟的應(yīng)用技術(shù)。但是，光纖通信用的光纖激光器輸出功率一般都是毫瓦級(jí)，一直以來只局限于光通訊等領(lǐng)域；同時(shí)由于巨大的行業(yè)差距，幾乎無人把它與激光加工等聯(lián)想到一起。然而，對(duì)于大多數(shù)的激光應(yīng)用領(lǐng)域，相比于毫瓦級(jí)，我們更需要瓦級(jí)的光功率輸出。

　　1988 年Snitzer 等人提出了雙包層的泵浦技術(shù)，改變了人們對(duì)光纖激光器只能產(chǎn)生小功率輸出的看法，使得利用光纖激光器產(chǎn)生大功率和高亮度的激光輸出成為可能。

　　初期人們主要研究摻Nd3+包層泵浦光纖激光器，因其為4 能級(jí)系統(tǒng)， 閾值功率低等優(yōu)點(diǎn)。1992 年Minelly 等人報(bào)道了輸出功率大于1W 的Nd 摻雜雙包層光纖激光器。1993 年，在包層泵浦摻Nd3+光纖激光器實(shí)驗(yàn)中，H. Po 等得到了輸出功率5W、斜率效率51%的激光；1995 年，H. Zellmer 等報(bào)道了輸出波長(zhǎng)為1064nm、功率為9.2W 的雙包層泵浦的摻Nd3+光纖激光器，斜率效率僅為25%，主要是因?yàn)椴捎昧藞A形包層泵浦結(jié)構(gòu)導(dǎo)致單模芯層對(duì)泵浦光的吸收不夠充分。

　　然而，由于Nd 的吸收帶非常窄，對(duì)泵浦源的波長(zhǎng)穩(wěn)定性和精度要求較高， 而Yb 則具有相當(dāng)寬的吸收帶，可提供更高的轉(zhuǎn)換效率與輸出功率，人們轉(zhuǎn)而重點(diǎn)關(guān)注Yb 摻雜光纖激光器的研究。

　　1994 年，H.M．Pask 等率先在摻Y(jié)b 石英光纖中實(shí)現(xiàn)了包層泵浦，采用975nm 的泵浦光在波長(zhǎng)1040nm處獲得了0.5W 的激光輸出，斜率效率達(dá)到了80%。l997 年，美國(guó)寶麗來公司的M．Muendel 等報(bào)道了l100nm、35.5W 的單模輸出連續(xù)激光的摻Y(jié)b 雙包層光纖激光器。

　　1998 年，Lucent 技術(shù)公司的Kosinki 等報(bào)道了一種內(nèi)包層截面形狀為星形的摻Y(jié)b 雙包層光纖激光器，得到了20W 的激光輸出。

　　1999 年SDL 公司的V. Dominic 等利用四個(gè)45W的半導(dǎo)體激光器從兩端泵浦， 研制成功110W 的單模連續(xù)激光輸出摻Y(jié)b 雙包層光纖激光器，光-光轉(zhuǎn)換效率58%。

　　2000 年，IPG 公司利用其發(fā)明的多光纖側(cè)向耦合技術(shù)，率先實(shí)現(xiàn)百瓦級(jí)光纖激光器的全光纖化，為其商業(yè)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　2002 年，德國(guó)的J.Limpert 等報(bào)告了雙摻雜的雙包層光纖激光器的結(jié)果。采用雙波長(zhǎng)（808nm、975nm）的半導(dǎo)體激光器泵浦45m 長(zhǎng)的Nd/Yb 共摻的雙包層光纖，獲得150W 激光輸出。

　　2003 年，德國(guó)V.Reichel 等、IPG 公司、SPI 公司分別報(bào)道了200W、300W、610W 的單模激光輸出的摻鐿光纖激光器。

　　2004 年，SPI 研制成功1.36kW 連續(xù)光纖激光器。

　　2005 年，IPG 公司推出了2kW 單模光纖激光器。

　　2006 年，IPG 光纖激光器單模輸出功率最高可達(dá)3kW。

　　2009 年，IPG 在美國(guó)向客戶交付了它的第一個(gè)5kW 單模光纖激光器。

　　多模激光輸出方面：2002 年IPG 公司公布了2kW的摻Y(jié)b 雙包層光纖激光器。2004 年建成10kW 摻Y(jié)b 雙包層光纖激光器。2005 年，17kW 光纖激光器進(jìn)入生產(chǎn)線。目前輸出功率已經(jīng)達(dá)到10 萬瓦級(jí)?！?.國(guó)內(nèi)高功率光纖激光器發(fā)展概況

　　國(guó)內(nèi)關(guān)于雙包層光纖激光器的研究始于20 世紀(jì)90 年代末。已有多家單位開展了雙包層光纖激光器的研究，如中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、南開大學(xué)、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所、中國(guó)兵器裝備研究院、北京光電技術(shù)研究所、烽火通信、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　1999 年， 南開大學(xué)與電子部46 所合作研制出大數(shù)值孔徑的摻Y(jié)b 雙包層光纖， 并在雙包層光纖光柵等方面進(jìn)行了研究。

　　2000 年， 上海光機(jī)所報(bào)道了輸出功率為3．84W，斜率效率為55％的摻Y(jié)b 雙包層光纖激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；南開大學(xué)采用國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體激光器分別泵浦電子部46 所、俄羅斯研制的雙包層光纖， 實(shí)現(xiàn)了大于200mW 的的激光輸出。

　　2001 年，復(fù)旦大學(xué)研究了一種高效率可調(diào)諧摻鐿雙包層光纖激光器，最大輸出功率為440mW，斜率效率約為80%，輸出波長(zhǎng)可在1070～1150nm 的范圍內(nèi)調(diào)諧。

　　2002 年， 南開大學(xué)報(bào)道了全光纖摻Y(jié)b 雙包層光纖激光器，輸出功率1.2W。

　　2003 年， 上海光機(jī)所分別報(bào)道了50W、115 W 的摻釔雙包層光纖激光器。

　　2004 年， 清華大學(xué)報(bào)道了雙端側(cè)向泵浦摻Y(jié)b 雙包層光纖激光器，實(shí)現(xiàn)137W 的激光輸出；2004 年底，上海光機(jī)所與烽火通信合作，采用摻鐿D 形雙包層光纖，獲得了444W 的激光輸出，轉(zhuǎn)換效率70％以上。

　　2005 年， 北京光電技術(shù)研究所研制成功30W 單模連續(xù)全光纖激光器。上海光機(jī)所研制出實(shí)用化20W光纖激光器。

　　2006 年，清華大學(xué)精密儀器系光子與電子學(xué)研究中心，采用烽火通信提供的新型摻Y(jié)b 雙包層光纖，當(dāng)前向與后向泵浦功率共計(jì)約1020W 時(shí)， 輸出功率達(dá)714W，光一光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到70％。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所研制的大功率光纖激光器，當(dāng)泵浦光功率為1550W 時(shí)，光纖激光輸出功率為1207W，斜率效率為78.6％。中國(guó)兵器裝備研究院采用雙端泵浦、高效的偏振耦合等技術(shù)研制成功的單根光纖激光器輸出功率達(dá)到1049W， 光一光轉(zhuǎn)換效率大于60％，電一光轉(zhuǎn)換效率大于30％。

　　2007 年上海光機(jī)所單根光纖獲得了916W 的激光輸出。

　　包層泵浦光纖激光器在光纖通信、印刷、打標(biāo)、材料加工、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用。例如：對(duì)于目前在技術(shù)上已經(jīng)成熟的百瓦量級(jí)以下的商用光纖激光器來說，其輸出為單橫模，可廣泛應(yīng)用于精密激光打標(biāo)、雕刻、非金屬的切割與小型元件的焊接等領(lǐng)域中。對(duì)于采用常規(guī)組束技術(shù)的上千瓦的高功率光纖激光器，很多特性也優(yōu)于同等功率水平的CO2或固體YAG 激光器，可用于金屬加工等領(lǐng)域。

　　在Raman 放大器中有重要應(yīng)用。光纖Raman 放大器需要較高的泵浦功率，多年來未能實(shí)現(xiàn)其實(shí)用化的主要困難就是沒有合適的泵浦源， 固體激光器如Nd：YAG、Nd：YLF 等雖然有足夠功率，但系統(tǒng)復(fù)雜不適用于光通信系統(tǒng)。包層泵浦光纖激光器可讓喇曼光纖放大器獲得合適波長(zhǎng)的高功率泵浦源， 使Er 提供的80nm 帶寬可以開發(fā)利用，遠(yuǎn)距離大容量的光通信成為了現(xiàn)實(shí)。包層泵浦光纖激光器由于結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格相對(duì)低廉和無氣體、染料、溶劑等而特別適用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用。可用于顯微外科手術(shù)、醫(yī)學(xué)診斷、藥檢、DNA 排序、細(xì)胞分類以及蛋白質(zhì)分析等領(lǐng)域。

　　高功率光纖激光器的出現(xiàn)是激光發(fā)展史的一個(gè)里程碑，以其優(yōu)越的性能和超值的價(jià)格，可能很大程度上替代傳統(tǒng)的CO2和YAG 固體激光器， 開辟一些新的激光應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)大激光產(chǎn)業(yè)的規(guī)模。