光纤激光的技术应用及发展趋势

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　近年来，随着各种关键技术的突破，光纤激光器得到了长足的发展。作为第三代激光技术的代表，光纤激光器具有其他激光器无可比拟的技术优越性。这几年随着各种商用光纤激光器的面市，光纤激光器被应用到众多领域。

　　1、光纤激光器的优势：

　　1.1、增益介质的表面积/体积比大

　　光纤激光器采用光纤做增益介质，具有很大的表面积/体积比，这使其具有非常好的散热性能，因此，即使非常高功率的光纤激光器，增益介质也不会受到热损害，一般无需对增益介质采取特别的散热措施，而其他种类的激光器，增益介质的散热问题是需要重点考虑的，因此，该特点是光纤激光器所独有的。

　　1.2、优异的双波导限制机制

　　高功率全光纤激光器采用双包层有源光纤，这种双包层光纤是一种双波导结构，高功率的多模泵浦光被限制在直径较大的内包层中传输，为采用高功率廉价的多模 泵浦光提供了条件，信号激光在直径很小的具有圆对称波导结构的纤芯中产生和传输，在小芯径纤芯波导的限制下，信号激光可获得理想的光束质量和极小的出光光 斑直径，这是全光纤激光器独具吸引力的重要特点，在高功率激光器中，目前还没有一种激光器能够超越。优异的光束质量和极小的出光光斑直径在激光应用中具有 非常重要的意义，可使后续应用设备的光学系统更简单，体积更小，工作距离更长，激光聚焦光斑更小，工作效率更高，加工深度更深，加工质量更好等等。

　　1.3、固有的全封闭柔性光路

　　全光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成，光纤和光纤元件之间采用光纤熔接技术连接，整个光路完全封闭在光纤波导中。这种天然的全封闭性光路一旦形 成，无需另加隔离措施即可自成体系，实现与外界环境的隔离。由于光纤细小并具有很好的柔性，光路可盘绕和沿细小的管道穿行，因此，全光纤激光器能够在比较 恶劣的环境下工作，输出光可穿过狭小的缝隙或沿细小的管道进行远距离传输。这些特点在工业应用中优势巨大，激光器不但能适应比较恶劣的工作环境，而且可使 激光器远离出光点，可将激光引入到以前很难到达的地方，可非常容易移动和改变出光点，实现多加工点共用一台激光器，可使激光加工设备的设计具有更高的灵活 性等等。

　　1.4、光路具有免维护特性

　　如前所述，全光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成，光纤和光纤元件之间 采用光纤熔接技术连接，因此，光路一旦完成，即形成一个整体，实践证明，这样形成的连接结构和连接参数将长期保持稳定，如果光纤和光纤元件本身能有长期稳 定性，整个光路将长期稳定，无需维护。需要特别指出的是，这种免维护的特性并非不可维护和维修，在需要的情况下，整个光路的维护和维修同样可以进行，因 此，与气体和固体等激光器需要频繁的维护和维修相比，全光纤激光器光路的免维护特性异常优异，而与半导体激光器的不可维修性相比，全光纤激光器的可维护性 和可维修性又表现出明显的优势。

　　1.5、单条宽发光区长寿命多模泵浦激光器

　　全光纤激光器的光路具有长期的稳定性， 因此，需要与之匹配的长寿命泵浦激光器才能获得整机的长寿命。发展低价格的长寿命多模泵浦激光器是发展长寿命光纤激光器的重点。研究表明，半导体激光器的 失效率与有源区光功率密度的m次方成正比，m的取值范围在2~3之间；与有源区电流密度的n次方成正比，n的取值范围在3~6之间；与有源区的温度呈指数 依赖关系，其数学表达式如下：

　　其中F为失效率，I为有源区的光功率密度，J为有源区的电流密度，EA为激活能，取值在0.4~0.7之间，KB为波尔兹曼常数，T为有源区温度。

　　可见，降低有源区光功率密度、电流密度和有源区工作温度对降低失效率有显著意义。单条宽发光区多模泵浦激光器就是根据这一原理而设计的一种长寿命半导体 泵浦激光器，其条宽一般取100mm，基本上已接近105/125多模光纤的纤芯直径，其有源区条宽是列阵半导体激光器的几十倍，对单一发光条来说，同样 输出功率和同样注入电流情况下，其光功率密度和电流密度将降低几十倍，有源区温度也会有所降低，在忽略其他因素的前提下，单条宽发光区半导体泵浦激光器降 低失效率的作用是异常显著的。目前尾纤输出功率大于5W的单条宽发光区半导体泵浦激光器的平均无故障工作时间已经达到50万小时以上。

　　1.6、寿命长

　　从前面的讨论我们已经知道，采用单条宽发光区半导体泵浦激光器作为光纤激光器的泵浦源，全光纤激光器将具备长寿命的特点，因此，制作具有几十万小时的长寿命光纤激光器在技术上已经可行。

　　1.7、体积小重量轻

　　全光纤激光器由于光路可盘绕，光路占用空间较小，在采用单条宽发光区半导体泵浦激光器做泵浦源的情况下，泵浦激光器可分散安装，具有很好的散热特性，在 安装密度不高的情况下，采用风冷即可，在安装密度较高的情况下，只需少量通水即可满足散热要求，因此，全光纤激光器的体积比同样输出功率的气体和固体激光 器系统更小，重量更轻。

　　1.8输出功率大

　　光纤激光器输出功率在突破100W以后，输出功率水平飞速增长，只用了 三年多时间，达到的输出功率水平已经超过了YAG固体激光器和CO2气体激光器用三十多年达到的输出功率水平，目前光纤激光器的实验室水平已经超过10万 瓦，3万瓦的光纤已经商品化，已经销售的光纤激光器，输出功率为17000W。可以预见，光纤激光器将成为长时间连续输出功率最大的激光器。

　　1.9节水节电节成本

　　光纤激光器具有优异的热性能，电光效率较高，节水节电，尤其重要的是可长期免维护使用，可节约大量维护经费和时间，提高工作效率。

　　1.10、造价不断降低

　　全光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成，由于原料易得，在技术、产品和市场成熟之后，可大幅度降低成本。除光路部分外，半导体泵浦激光器是构成光纤激光器成本的主要部分，从光通信的发展历史和经验来看，随着技术的发展和市场容量的不断扩大，大幅度降低半导体泵浦激光器的成本将成为必然趋势。

　　2、光纤激光器的应用

　　2.1、光纤激光器在工业上的应用

　　工业生产要求激光器可靠性高、体积小、安全、便于操作。光纤激光器以其结构紧凑、光转换效率高、预热时间短、受环境因素影响小、免维护以及容易与光纤或由光学镜片组成导光系统耦合等优点受到人们的广泛关注。

　　目前，光纤激光器正逐步取代传统激光器在激光打标、激光焊接、激光切割等领域的主导地位。在打标领域，由于光纤激光器具有较高的光束质量和定位精度，光纤打标系统正取代效率不高的二氧化碳激光和氙灯抽运的Nd：YAG脉冲激光打标系统；在欧美及日本市场，这种取代正大规模地进行着，仅在日本，每月的需求量就超过100台。我国作为世界上最大的工业制造国，对光纤激光打标机的需求是十分巨大的，估计每年有超过2000台的需求量。在激光焊接和切割领域，随着上千瓦甚至几万瓦光纤激光器的研制成功，光纤激光器也得到了应用。此前，IPG报道，德国宝马汽车公司购买了他们的高功率光纤激光器用在车门焊接生产线上。

　　2.2、光纤激光器在传感上的应用

　　较之于其他光源，光纤激光器被用作传感光源有许多优势。首先，光纤激光器有效率高、可调谐、稳定性好、紧凑小巧、重量轻、维护方便和光束质量好等优异性能。其次，光纤激光能很好地与光纤耦合，与现有的光纤器件完全兼容，能进行全光纤测试。

　　目前，基于可调谐窄线宽光纤激光器的光纤传感是该领域的应用热点之一。该类型光纤激光器的光谱线宽很窄，具有超长相干长度，并且可以对频率进行快速调制。把这种窄线宽光纤激光器应用到分布式传感系统，可实现超长距离、超高精度的光纤传感。在美国和欧洲，这种基于可调谐窄线宽光纤激光器的传感技术被广泛应用到国土安全及重要设施监测、石油/天然气管道监测以及水下声纳探测等众多领域。我国估计每年对这种类型光纤激光器的需求量也在100台以上。

　　2.3、光纤激光器在通讯上的应用

　　光纤激光器相比于常规激光系统在结构紧凑性、散热、光束质量、体积以及与现有系统的兼容性等方面具有显著优势，在通讯领域得到广泛的应用。

　　掺稀土光纤为增益介质的锁模光纤激光器可以产生高重复率、脉宽为皮秒或飞秒量级的超短光脉冲，而且其激射波长又落在光纤通信的最佳窗口1.55 μm波段上，是未来高速光通信系统的理想光源。目前，10GHz 与40 GHz重复频率的锁模光纤激光器已经研制成功。一旦这种通讯网络铺设开展，对这类型激光器的需求将是巨大的。

　　2.4、光纤激光器在医疗上的应用

　　现在，用于临床的激光器大多是氩离子激光器、二氧化碳激光器和YAG激光器，但通常它们光束质量不高，具有非常大的体积，需要庞大的水冷系统，并且安装和维护非常麻烦，而这些恰恰是光纤激光器可以弥补的。因为水分子在2 μm有一个吸收峰，将2 μm光纤激光器用作外科手术工具可以实现快速止血，减少手术对人体组织的破坏。

　　超快光纤激光器是目前最活跃的研究领域之一，其在医疗领域也有十分重要的应用。目前，生物医学专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。人们也在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。另外，利用其超短脉冲，医学研究者们也研究其在医学成像方面的应用。随着各种研究的深入，用于医疗的光纤激光器需求也必将迅速增加。

　　2.5、光纤激光器在军事上的应用

　　高功率、高质量激光武器一直是军事领域防御和进攻武器的研究重点。高功率光纤激光器以其高亮度、小照射面积、体积小等优点越来越受到重视。另外，在定位、测距、遥感、跟踪制导和模拟打靶等领域中，光纤激光器作为一种有效的工具也备受青睐。

        3、5大关键技术和发展趋势

　　3.1、特种光纤技术

　　全光纤激光器需要使用双包层有源光纤、双包层光敏光纤、能量传输光纤等多种特种光纤，随着输出功率的不断提高，对特种光纤的技术要求也越来越高，因此， 特种光纤的发展将在光纤激光器的发展中扮演重要角色。以光子晶体光纤为代表的新一代特种光纤会在光纤激光器的发展中逐步得到应用。特种光纤的发展，将使有 源光纤的增益更高、承受的功率密度更大、对泵浦光的吸收更有效；将使光栅的制作更容易、光栅的稳定性更好、使光栅在光纤激光器中的用途更广泛；将使能量传 输光纤能够传输更高的功率，能够将高功率激光传送更远的距离，能够传输的波长范围不断拓展；将使泵浦耦合更加容易实现，能承受的泵浦功率更高，损耗更小等 等。

　　3.2、包层泵浦耦合技术

　　全光纤激光器的包层泵浦耦合技术对决定光纤激光器性能和水平具有不可估量的作用。 用于大功率全光纤激光器的光纤泵浦耦合器件和光纤功率合成器件，均在很高的功率下条件下使用，其耦合效率必须很高，损耗必须很小，承受的功率必须很大，并 且，输入光的路数还需要尽可能的多。在如此众多的极限条件要求下，制作优质的泵浦耦合器件和功率合成器件具有很高的难度，不过，实现的方式方法也多种多 样，这是一项富有挑战性的技术。从大功率全光纤激光器的发展趋势来看，还要求泵浦耦合器件在将泵浦光耦合到内包层的同时，尽量不影响和损害双包层光纤的纤 芯，因为只有这样才能在不影响信号激光的产生和传输的情况下实现级联泵浦，实现超大功率的输出。本文认为，发展对纤芯影响最小的泵浦耦合技术是泵浦耦合器 件的发展方向。对于光纤功率合成器件，所追求的目标就是不断提高合成的光功率。

　　3.3、光纤光栅技术

　　光纤光栅在全光纤激光器中，目前的作用是反射纤芯中的信号激光器形成谐振腔，不过，随着光纤激光器技术的进一步发展，光纤光栅在光纤激光器中会有新的用途，从而对光纤光栅的制作技术提出新的挑战，其中值得关注的方向之一，是在大芯径多模光纤上制作高质量的光纤光栅。

　　3.4、半导体泵浦激光器技术

　　半导体泵浦激光器是光纤激光器的关键器件，对光纤激光器的可靠性、寿命和制作成本等影响至关重要，发展单条宽发光区长寿命半导体泵浦激光器已经成为光纤 激光器用半导体泵浦激光器的一种趋势，不断提高单个激光器的输出功率、不断降低成本和进一步提高可靠性是重点，其中改进和创新封装结构应该是核心工作，因 为目前封装成本所占比重还很高。

　　3.5、光纤激光器整机技术

　　全光纤激光器的整机设计和制作所涉及的知识、内容、 技术、工艺、经验和Know How较多，是全光纤激光器设计和制作最核心、最关键的技术，尤其在新型大功率全光纤激光器的发展历史还相当短暂的今天，还有大量开创性的工作需要进行。 进行全光纤激光器的整机设计和制作，不但需要面向应用进行合理设计，而且肩负着整机结构和方案的改进创新重任、肩负着各重要部件和关键技术的改进和创新重 任。目前在世界范围内，进行光纤激光器整机设计和制作的厂家均在创新上有大量的投入。

　　3.6、激光组束技术

　　激光组束是目前国际上激光技术领域的研究热点，其目的是将多束激光组合成一束输出，是大幅提升激光输出功率和亮度的有效手段。利用组束技术对光纤激光器阵列的输出进行合成，未来可获得几十至几百kW的输出功率，将其作为机载激光武器系统的光源，可大大增加武器系统的紧凑性和灵活性，增大武器系统的杀伤力和威慑力。

　　激光组束技术可分为相干组束和非相干组束两大类。相干组束要求所有阵元输出光束的波长和偏振方向一致，并且需要对每路光束的相位进行严格的检测和控制，实现起来比较困难。非相干组束对各阵元输出光束的偏振方向和相位没有限制，只要求其波长处于组束元件的频谱范围内，实现功率的标量叠加。这种组束方法结构简单、系统稳定且易于控制，近年来逐渐成为光纤激光领域的研究热点。
 

　　4、我国光纤激光器的发展现状

　　尽管高功率光纤激的在中国的市场容量十分巨大，可是中国目前相关研究工作都相对滞后，还处在摸索的初级阶段，关键部件都需进口。同时，虽然上海光机所、长春光机所、清华大学和南开大学在该领域取得了阶段性的实验成果，但是多沿袭了传统激光理论，离国际先进水平相差甚远，更谈不上短期内实现商业化。

　　对中国光纤激光器产业的发展，一些论坛已经展开了激烈的讨论，讨论的焦点在于“中国是否有自主知识产权”、“有多大的希望”。观点分为旗帜鲜明的两派。一派认为，中国没有自己的核心技术，泵浦、光纤声光Q开关、增益光纤、光纤熔接机、涂覆机均无法自行生产，耦合、镀膜等工艺水平低下，造成的成品光模式与稳定性差，返修率超高。另一派认为，闫大鹏博士等人掌握了部分核心技术，武汉锐科凭一己之力，仅用三年时间，将进口光纤激光器的价格拉了下来，在市场上销售了超过2000台光纤激光器，已经取得了很不错的成绩，不少国内科研机构和厂商也在加紧推出自己的光纤激光器研究成果和产品，中国厂商起步晚，路漫漫而长远，不应打击。

　　两派虽然观点迥异，但在一个看法上达成了一致。光纤激光器产业是一个系统工程，需要激光如气体、固体、半导体，光学如光学设计、加工、校正，光学加工平面、球面、非线形，胶合、镀膜；核心光纤、器件和精密加工等基础研究领域投入长久的努力。IPG经过近20年的研发，不断失败和探索，才取得了如今产品的垂直整合能力，成为目今中国光纤激光器产业无法逾越的鸿沟。况且国外在光纤激光器的相关基础研究上，形成了巨大的产业，已经积累了雄厚的基础。而中国缺乏一个综合的竞争体系，相关产业还不完善，在一些基础器件上缺乏研究，与国外还差的很远。真正的核心技术是买不来的。

　　光纤激光器被誉为第三代最先进的工业加工激光器，同时也是世界各国着力发展的高端激光器，在工业加工领域具有多方面的优势。它的国产化和产业化，将极大提升我国高端激光器的研制水平，同时为我国大功率数控激光加工装备提供“中国心”，极大促进我国激光加工产业的发展。近日，武汉锐科和华工科技共同研制出来4kW全光纤激光器，成为全球第三个掌握此项技术的企业，此次4kW光纤激光器的成功将打破国外激光巨头的垄断局面。但我们也清楚的认识到，我们的光纤激光器产品与国外领先水平还有很大一段距离。我们应该打造具有自主知识产权的、完整的光纤激光器产业链，为壮大我国的光纤激光器产业作贡献！
 

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