本文作者馬思燁，張聞宇，邱佳欣，冀巍，劉燕樑，中國電子科技集團公司第二十三研究所，僅供交流學習之用，感謝分享！
引言
光纖雷射器被認為是第三代雷射器，其與傳統的紅寶石雷射器及ＹＡＧ（釔鋁石榴石）雷射器相比具有良好的光束質量、單色性與穩定性，並且還具有電光轉化效率高、維護成本低、結構簡單、體積小、重量輕及佔地面積小等優點。近年來千瓦級、萬瓦級高功率光纖雷射器的興起，極大地拓寬了光纖雷射器應用領域。在工業加工方面，數百瓦高功率光纖雷射器廣泛用於五金、眼鏡、衛浴及廣告字焊接，數千瓦高功率光纖雷射器在金屬切割、熔覆等方面優勢明顯，幾乎取代了傳統加工手段，２μｍ 光纖雷射器則在塑料加工、醫療手術等方面有著不可替代的優勢；在軍事方面，國內外基於高功率高亮度的萬瓦級光纖雷射器（雷射武器）成功打靶的報導屢見不鮮。光纖雷射器可分為連續光纖雷射器與脈衝光纖雷射器兩類。相對於脈衝光纖雷射器，連續光纖雷射器對相關技術要求更高、更複雜。因此，本文主要對高功率連續光纖雷射器的技術發展進行闡述。
1、高功率光纖雷射器的發展歷程
1.1 早期發展歷程
１９６０年，世界上出現了第１臺真正意義上的雷射器，系紅寶石雷射器。次年，Ｅ．Ｓｎｉｔｚｅｒ研製出第１臺摻釹（Ｎｄ３＋）光纖雷射器。一年後，Ｈ．Ｗ．Ｅｔｚｅｌ等人成功研製出第１臺摻鐿離子（Ｙｂ３＋）的光纖雷射器，即 目前最常見的１μｍ波長（１．０６４μｍ／１．０８０μｍ）光纖雷射器。但由於光纖的損耗較高，導致能量無法長距離傳輸，因此在此後的很長一段時間內，光纖雷射器的發展陷入了低谷。直到２０世紀７０年代初，康寧公司根據高錕等人提出的理論研製出損耗４ｄＢ／ｋｍ 的光纖，使得１．５５μｍ 波長摻鉺（Ｅｒ３＋ ）光纖雷射器迎來了發展，但由於Ｅｒ的量子虧損較大，導致其無法實現高功率輸出。綜上，早年光纖雷射器的功率較低，大多在瓦級甚至毫瓦級以下，以１．５５μｍ 通信波段摻鉺光纖雷射器較為著名，其主要用於光纖放大器，１．０８μｍ 波段的光纖雷射器主要用於微電子及雷射打標等。
1.2 近３０年的發展歷程
1.2.1 國外發展情況
１９９３年，ＨｏｎｇＰｏ等人研製出摻釹雙包層光纖雷射器。２００２年，Ｊ．Ｌｉｍｐｅｒｔ 等 人 研 制 出 鉺 鐿（Ｅｒ３＋／Ｙｂ３＋ ）共摻的雙包層光纖雷射器，實現了１５０Ｗ的單模連續雷射功率輸出，大大推動了高功率摻鐿光纖雷射器的開發。２００９年，光纖雷射器的全球領跑者ＩＰＧ公司基於同帶泵浦技術使用１．０１８μｍ的雷射作為泵浦光，首次實現了單纖單模輸出１０ｋＷ，光束 質量因子Ｍ２＜１．３１。２０１２年，ＩＰＧ公司的單纖單模功率達到了２０ｋＷ。截至２０１９年１月，ＩＰＧ公司的光纖雷射器最高輸出水平為單模２０ｋＷ 與多模５００ｋＷ。圖１示出了國外光纖雷射器單纖單模雷射功率Ｐ的提升情況，可以看出從１９９７年至２０１２年，光纖雷射器的單纖單模輸出功率水平的提升大致為２．０ｄＢ／ａ，約合１．５８倍／ａ。
1.2.2 我國發展情況
我國對光纖雷射器的研究起步較晚，始於２０世紀８０年代末。根據相關報導，近１０年我國高校、研究所、企業等眾多研究機構的關注焦點主要是摻鐿雙包層光纖雷射器。２００６年，我國摻鐿雙包層光纖雷射器的輸出功率首次達到千瓦級。２０１６年，中國電科第二十三研究所（簡稱中國電科２３所）下屬的中國電科天之星雷射技術（上海）有限公司（簡稱天之星公司）首次採用自主研發的２０／４００（即纖芯直徑２０μｍ，包層直徑４００μｍ）有源光纖、２０／４００無源光纖、泵浦合束器、輸出頭等核心器件實現１ｋＷ商用光纖雷射器的量產，為２０／４００有源光纖等國產化高功率光纖與器件的大規模商用化打下了堅實的基礎。次年，該公司採用自研器件實現了２ｋＷ光纖雷射器商業化量產。近兩年來，我國已陸續有光纖雷射器萬瓦雷射輸出的報導。圖２示出了我國光纖雷射器單纖單模雷射功率Ｐ的提升情況（其中單纖單模數千瓦光纖雷射器目前還處於演示樣機水平，與長期可靠工作的應用級尚有差距）
2、高功率光纖雷射器的技術演進
光纖雷射器功率水平的提升主要藉助於三方面的技術發展：ａ．光纖雷射器結構的優化，使其可在降低系統溫升的情況下提高輸出功率；ｂ．有源光纖、泵浦源、合束器等光纖雷射器核心器件的功率水平的提升，為雷射器高功率輸出提供了硬體保障；ｃ．光纖處理設備的升級，包括大芯徑光纖切割刀、熔接機、再塗覆機等性能的提升，使得光纖熔接點的損耗、發熱大幅降低，從而對提升雷射器的損傷閾值有極大的益處。下文將對前兩方面的技術演進進行介紹。
2.1 光纖雷射器結構的優化
2.1.1 早期空間光泵浦結構
早期各種光纖雷射器採用的都是空間光的泵浦與雷射輸出，功率提升較為緩慢，直至１９９９年才首次突破百瓦級的輸出。該雷射器的結構如圖３所示，採用空間光 雙向泵浦方式（利用一對雙色鏡（ＤＭ１與 ＤＭ２）構成諧振腔，雷射最終從ＤＭ２輸出）和模場直徑９．２μｍ的雙包層光纖，在１１２０ｎｍ的波長下獲得110Ｗ的雷射輸出，斜率效率為５８．３％。然而，利用空間光進行光纖泵浦光、雷射耦合的複雜程度較高，各種光學鏡片搭建光路的難度較大，甚至雷射器的搬移都會造成光路需要重新調節，這在很大程度上限制了光纖雷射器的應用。
2.1.2 直接振蕩器結構與ＭＯＰＡ結構
隨著光纖器件的發展，光纖合束器、光纖光柵（ＦＢＧ）及包層功率剝離器（ＣＰＳ，包層光剝離器（ＣＬＳ））等取代了各種透鏡、雙色鏡等，實現了全光纖結構的雷射器，器件之間不再依賴於光學鏡片間空間光的耦合而是通過光纖熔接實現耦合，大大簡化了雷射器的複雜度，並提升了雷射器的可靠性與可維護性，為光纖雷射器的實用提供了可能。
目前，全光纖結構的高功率光纖雷射器主要有直接振蕩器結構與主控振蕩器功率放 大器（ＭＯＰＡ）結構兩種。前者通過一對光纖光柵構成諧振腔，在振蕩過程中由光柵進行波長選模，輸出目標波長。後者則通過振蕩器結構的雷射器輸出某一波長的雷射作為種子光，該種子光在後一級的放大器（有源光纖與泵浦光的作用）中被功率放大形成更高功率的雷射輸出。雖然直接振蕩器結構中振蕩器輸出的雷射模式在空間分布上優於 ＭＯＰＡ，但諧振腔提升了雷射功率密度，從而對有源光纖的損傷閾值要求較高，同時還受制於光纖光柵的功率承受水平。因此，在很長一段時 間內 ＭＯＰＡ 結構被認為是高功率輸出的首選結構，但最近研究發現 ＭＯＰＡ結構在高功率下容易出現模式的空間分布不穩定，降低雷射的亮度，阻礙了光纖雷射器的高功率輸出。
在高功率光纖雷射器中採用的泵浦方式主要有前向泵浦與雙向泵浦兩種。相比於前向泵浦方式的單側泵浦注入導致的高發熱，雙向泵浦方式可優化為雙端泵浦的低發 熱，有效分散光纖的發熱。圖４示出了採用前向泵浦方式與雙向泵浦方式時沿光纖長度方向的光纖溫度分布，可見採用前向泵浦方式時，泵浦注入端光纖最高溫度達到85.7℃，而採用雙向泵浦方式時，兩個泵浦注入端光纖最高溫度為62.1℃，顯然光纖溫度低更利於衝擊高功率，並且失效機率大幅降低。２０１７年清華大學搭建了典型的ＭＯＰＡ結構的高功率光纖雷射器，如圖５所示，在其放大器部分採用了雙向泵浦方式，最終實現了３．１ｋＷ 輸出。
2.2 同帶泵浦技術的發展
早期的摻鐿光纖雷射器主要採用９１５ｎｍ 或者 ９７５ｎｍ 作為泵浦光波長。由於這兩個波長是鐿離子的吸收峰，因此這種泵浦技術稱之為直接泵浦，即由９×× ｎｍ波長經過有源光纖後輸出１０６４ｎｍ、１０７０ｎｍ等波長的雷射。然而，直接泵浦的量子虧損率比較高。量子虧損ｑ與量子虧損率ｑｒａｔｅ的計算方法為：
同帶泵浦又稱為級聯泵浦，是指泵浦波長與發射波長較為接近，在電子躍遷時吸收與發射對應於同一個能帶，量子虧損率更小。根據式（２）可計算得，當採用１０１８ｎｍ 作為泵浦波長時，輸出１０７０ｎｍ 的量子虧損率將低於５％。因 此，先採用 ９７５ｎｍ 泵浦輸出數值孔徑在０．０７左右的有源光纖，使之發射高亮度１０１８ｎｍ 雷射，再用此１０１８ｎｍ 激 光作為泵浦光輸出１０６４ｎｍ、１０７０ｎｍ及１０８０ｎｍ等波長的雷射。２０１７年，國防科技大學由此成功合成了５ｋＷ１０１８ｎｍ 的雷射，並將其作為高亮度的泵浦源。ＩＰＧ 公司 由 此實現了１０ｋＷ 單纖單模輸出光纖雷射器（即 ＹＬＳ－１００００－ＳＭ 單模摻鐿光纖雷射器），如圖６所示。可見，該雷射器採用了ＭＯＰＡ結構，主控振蕩器輸出１ｋＷ 的種子光，通過將５７ 個２７０ Ｗ 的１０１８ｎｍ 泵浦源合束後再進行雙向級聯泵浦，最終得到１０ｋＷ的雷射輸出，該雷射器輸出的光譜主峰的３ｄＢ帶寬（半高寬）為１０ｎｍ，且光譜無明顯展寬、劣化。
2.3 有源光纖技術的發展
有源光纖是光纖雷射器中的增益介質，其作用是將高數值孔徑（例如纖芯數值孔徑 為０．２２）的泵浦光轉變為低數值孔徑（例如纖芯數值孔徑為０．０６）、高亮度的雷射。有源光纖的性能直接影響著輸出雷射的質量，尤其是雷射器在雷射功率、斜率效率、非線性效應、模式不穩定性以及光子暗化效應等方面的表現。
有源光纖從早期的單包層變為雙包層，同時從早期的小纖芯（纖芯直徑通常低於１０μｍ）變為大纖芯（即大模場面積（ＬＭＡ）光纖）。自從 ＨｏｎｇＰｏ等人提出採用雙包層光纖來克服單包層光纖耦合功率低的難題，極大地提高了有源光纖的 功率水平。圖７示出了單包層有源光纖與雙包層有源光纖中泵浦光轉變為雷射的工作原理。可見：ａ．單包層光纖的塗層折射率ｎｃｏａｔ＞包層折射率ｎｃｌａｄ，因此泵浦光只能在纖芯中傳輸，易受單位面積功率傳輸的限制，使得產生的激 光能量很低。ｂ．雙包層光纖的外包層（內塗層）折射率ｎｏｕｔ－ｃｌａｄ＜內包層折射率ｎｉｎ－ｃｌａｄ，因此在波導結構上允許泵浦光從內包層中注入與傳輸，使得泵浦光傳輸通道的橫截面極大提升。以６／１２５（即纖芯直徑６μｍ，包層直徑１２５μｍ）單包層有源光纖與２０／４００雙包層有源光纖為例，前者的泵浦光傳輸（注入）通道橫截面面積約為２８μｍ２，即便模場面積（模場直徑１０μｍ 以內）也不足８０μｍ２，而後者的泵浦光傳輸（注入）通道橫截面面 積 約 為１２５６００μｍ２，相比前者至少高出３個數量級，優勢明顯。
隨著稀土摻雜工藝水平的提升，有源光纖的大模場面積獲得實現。早期的稀土摻雜 系統較為簡易，採用原料的純度也偏低，加之對鋁、磷等共摻原理的研究不夠深入，使得 Ｙｂ３＋ 的摻雜濃度較低。近年來，隨著汽相法、液相法、溶膠凝膠法以及納米顆粒摻雜等工藝的不斷成熟，稀土摻雜的濃度得到提升，即使Ｙｂ３＋的濃度（物質的量分數）高達１０００×１０－６（０．１％），也不會出現稀土離子團簇、失透的現象，且纖芯折射率分布更加合理，這使得光纖模場呈近似平頂分布，進一步提高了光纖的損傷閾值。圖８示出了改進化學汽相法（ＭＣＶＤ）結合螯合物法進行 Ｙｂ３＋ 摻雜的工藝裝置，與常規通信光纖預製棒製作工藝裝置相比，該工藝裝置增加了ＡｌＣｌ３ 以及鐿螯合物 Ｙｂ（ｔｍｈｄ）３ 輸入設備，所有原料在加熱汽化後被氦氣載入工藝管道，與Ｏ２、氣態ＳｉＣｌ４混合後通過火焰噴燈加熱在石英管內壁沉積並玻璃化。同時，高濃度的稀土離子及共摻元素的摻雜還能夠保證光纖在１０８０ｎｍ的本底損耗低於１０ｄＢ／ｋｍ，甚至５ｄＢ／ｋｍ，這降低了光纖高功率失效的風險。目前，進口的２０／４００有源光纖（如圖９所示）的功率水平約為３ｋＷ，一些纖芯直徑３０μｍ 的有源光纖甚至可以實現萬瓦輸出。
2.4 泵浦源的發展
ＬＤ是將電能轉換為光能的器件，由於其工作介質通常為砷化鎵（ＧａＡｓ）、硫化鎘（ＣｄＳ）、磷化銦（ＩｎＰ）及硫化鋅（ＺｎＳ）等半導體材料，因此ＬＤ 又被成為半導體泵浦源。ＬＤ最為常見的封裝形式是單管封裝，通過採用多個單管進行線陣合束的方式可有效提高 ＬＤ 的整體輸出功率。在十餘年內，線陣封裝的 ＬＤ輸出功率獲得了快速發展，從２０００年的２６７Ｗ（百 瓦 級）發展到 ２０１５ 年的１９８０ Ｗ（千瓦級）。通過對線陣的疊加，能夠進一步形成迭陣封裝方式，輸出功率甚至可以達到６．３ｋＷ。此外，鎖波長技術的成熟同樣極大提升了 ＬＤ 的實用性。常規的 ＬＤ的輸出波長會隨著溫度的變化出現漂移，溫度漂移 係數約為０．３１ｎｍ／℃，這將影響有源光纖的泵浦吸收峰，不僅降低了雷射器的效率，而且未吸收的泵浦光還會導致光路中的其他元器件損壞。目前，市售的幾百瓦甚至數千瓦鎖波長ＬＤ可以將溫度漂移係數降低至０．０１ｎｍ／℃以內，已成為了９７５ｎｍ等波長泵浦衝擊高功率的不可或缺的器件。同時，ＬＤ的輸出光纖數值孔徑也在不斷優化，從之前的０．２２提升為目前的０．１５，甚至０．１３，為合束器有效接收更高功率泵浦光創造了有利的條件，使之可提升雷射輸出功率。
2.5 光纖合束器的發展
合束器的用途是將若干個 ＬＤ 泵浦源的功率匯聚至有源光纖。早期的合束器採用空間耦合的方式，最高實現了１．０１ｋＷ 的雷射輸出。由於空間耦合的穩定性較差，逐漸被採用錐形光纖束結構的光纖合束器取代，而後光纖合束器更是藉助光纖切割刀、光纖熔接機等工藝設備性能的更新換代使得功率水平迅速提升，從百瓦級發展至目前的千瓦級。
圖１０示出了典型的端面泵浦方式的（６＋１）×１光纖合束器，其由６根傳能光 纖（６條泵浦臂）和中心１根無源光纖組成，傳能光纖主要用於傳輸泵浦光，而無源光纖的包層傳輸泵浦光，其纖芯傳輸雷射。當該光纖合束器傳能光纖採用２００／２２０、輸出兼容 ２０／４００ 有源光纖時，其單臂功率可以達到４００ Ｗ，泵浦耦合效率大於９９％，纖芯雷射耦合效率９５％，由此實現了２．４ｋＷ的泵浦功率以及１ｋＷ 以上的纖芯雷射傳輸。
圖１１示出了典型的側面泵浦方式的（２＋１）×１光纖合束器，２根泵浦纖拉錐後貼合在無源光纖上，因此無需將作為雷射通道的光纖打斷（減少了１個熔接點），理論上可實現１００％的纖芯雷射耦合效率。目前，側面泵浦（２＋１）×１光纖合束器亦已實現千瓦級功率傳輸。
3、高功率光纖雷射器技術發展瓶頸
雖然高功率光纖雷射器相關技術有了快速的發展，但如果希望獲得更高的功率輸出則目前仍然存在諸多技術瓶頸。相關研究表明，基於大模場摻鐿石英光纖和二極體雷射器泵浦的光纖雷射器在理想的情況下最高可實現單纖單模輸出功率為３６．６ｋＷ，但目前報導的光纖雷射器輸出功率遠低於此。經研究，光纖雷射器輸出功率的受限因素主要包括泵浦功率、受激拉曼散射（ＳＲＳ）以及熱透鏡效應，如圖１２所示。
ＳＲＳ是一種非線性效應，是光纖中的粒子受到高功率雷射作用時表現出的拉曼散射現象，造成部分雷射能量轉變成波長更長的無用光，這些光的功率甚至可以超過雷射，降低了雷射器的有效輸出功率。通常可以通過減少光纖長度以及增大纖芯尺寸來抑制ＳＲＳ。圖６（ｂ）中１１２０ｎｍ 附近的光譜峰即是拉曼峰，峰高約為１０７３ｎｍ 主峰高的１／１０，可以認為這個ＳＲＳ抑制得較為成功。熱透 鏡效應則是由於半導體泵浦源在高功率時發熱變形造成的透鏡效應，從而限制了泵浦光的功率。抑制熱透鏡的手段之一是通過水冷的方式為泵浦源散熱，通過降溫提升熱透鏡效應的閾值功率。
此外，光纖雷射器更高功率輸出的技術瓶頸還包括橫向模式不穩定性（ＴＭＩ）以及光子暗化效應。ＴＭＩ是指在高功率時雷射中基模與高階模之間會以毫秒級的周期進行相互轉換，嚴重降低了光束質量。相關研究表明光纖發熱是造成ＴＭＩ的主要原因，即所謂熱致模式不穩定性。某些有源光纖的ＴＭＩ閾值為１ｋＷ左右，限制了更高的雷射功率輸出。對此，可採用同帶泵浦技術以降低光纖發熱，從而提升光纖的 ＴＭＩ閾值，也可通過降低光纖的纖芯尺寸以利於提升 ＴＭＩ的閾值，當然這同時可能降低了光纖的ＳＲＳ閾值。光子暗化效應主要表現為光纖雷射器輸出功率達到數百瓦或者數千瓦時，輸出功率會出現較快下降，限制了雷射器的輸出功率水平。雖然目前對光子暗化效應的成因尚無定論，但主流觀點認為是氧缺陷中心與電荷轉移吸收帶造成的，這些都直接與有源光纖相關。對此，提出的抑制光子暗化的方法也有多種，但從實用性的光纖工程化指標及應用角度而言，主要依靠對有源光纖的纖芯摻雜組分的優化，即鐿、鋁、磷、鈰等元素的配比的優化。目前，對於能夠保持３ｋＷ 以上連續數小時穩定功率輸出或者１ｋＷ 左右連續百小時穩定功率輸出的光纖雷射器，則可認為其光子暗化抑制得較為成功。
4、總 結
２０１７年，全球光纖雷射器市場為２０．３９億美元，預計２０２１年將增至２８．８５億美元。從ＩＰＧ 公司的銷售數據來看，其高功率光纖雷射器銷售額將達８．６７億美元，約佔其光纖雷射器銷售額的７１％，且增速接近５０％。由此，可以預計未來高功率光纖雷射器仍然是光纖雷射器市場的主力軍，提升光纖雷射器的輸出功率是佔據未來市場必要條件。
對於單纖單模光纖雷射器，在確保光束質量因子的前提下進一步提升輸出功率仍是大趨勢，主要途徑是選用性能更佳的光纖器件並更加科學地對器件進行設計整合，從而實現高功率、高亮度的雷射輸出。總體上，單臺光纖雷射器的輸出能力是有限的，因此雷射合束方式（即將多臺高功率光纖雷射器輸出的雷射合束後形成更高功率且高光束質量的雷射）已成為提高光纖雷射器輸出能力的有效途徑。常用的合束方式有非相干組束合成、光譜合成雷射光束以及雷射相干合成，合束後的雷射功率往往可以達到數萬瓦甚至更高。對於工業用的多模光纖雷射器，由於大多數情況下輸出的雷射不需要具備非常高的光束質量，因此通常採用２路、４路、７路與１９路等多路單模或多模雷射利用大芯徑光纖合束器進行合束多模輸出，通常輸出光纖的纖芯直徑在１００μｍ以上。我國萬瓦多模光纖雷射器以及ＩＰＧ公司的數十萬瓦多模光纖雷射器就是採用上述合束方式實現多模輸出的。