高功率雙包層光子晶體光纖激光器研究

李延楠

摘 要：高功率雙包層光纖激光器是一種新型激光器系統，包含光纖光柵技術、激光二極管泵浦源技術、雙包層光纖制作技術和耦合技術。近年來，在國內外激光領域內引起了研究者們的廣泛關注。文章在目前國內外已有研究的基礎上，圍繞高功率摻鐿雙包層光纖激光器，從應用前景、主要問題、主要優點、核心器件和未來發展五個方面進行深入探討，梳理出近年來高功率光子晶體光纖激光器發展脈絡，以期能為研究者提供深入研究的信息。

關鍵詞：高功率;光子晶體光纖;激光器

中圖分類號：TN248 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）03-085-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.03.039

1 高功率激光器應用前景

光纖激光器以其寬窄線、低閾值、可調諧、高效率、高性價比和緊湊小巧等特點受到廣泛關注，稀土摻雜光纖激光器更是被廣泛應用于工業加工、軍事、通信、測量、傳感和醫療等方面。特別是近年來，高功率雙包層光纖激光器的研究得到了飛躍進步，美國SDL、IPG和俄羅斯的IRE Polus等公司，均可以生產高功率雙包層光纖激光器產品。IPG的連續摻鐿光纖激光系統，功率范圍從1W能夠達到5萬W，其主要作用在多種材料的加工。IPG光子總裁Valentin Gapontsev博士說過：“高功率光纖激光系統的應用價值非常高，因為其可以實現其他激光技術無法達到的許多應用。”如今，在歐美等地區的很多發達國家，激光加工技術被實際運用在約50%到70%的汽車零部件生產上，上海大眾等汽車制造廠商也在使用激光加工技術進行車身和箱體等部分的焊接;日本川崎重工和其他一些造船企業，使用了高功率平板激光切割系統進行作業;日本和歐美國家的部分大型船廠都已經大規模配備激光加工技術，如具有一定危險性、同時又費時費力的機械加熱成型工藝，能夠被發展前景良好的激光輔助平板成型技術所取代;德國Meyer&Werft配備了4臺CO2激光器（12kW），用于焊接不同長度的船用加勁肋;歐美一些國家正在開發工業級的光纖激光器，其輸出功率分別能達到2kW和6kW。德國國家材料及化學技術研究所（BAM）于2005年10月置備完成一套2萬W的二極管泵浦摻鐿光纖激光系統（YLR-20000），其是全球性能最好的商用固體激光器，主要作用是研究合金和鋼等不同材料的處理加工，在材料加工方向上為光纖激光技術開辟了新途徑。中國目前已經研制出一系列中小功率激光加工設備和小功率工業光纖激光產品，如激光打標機、切割機、焊接機、雕刻機等，各行各業都有了廣泛應用。但是，大功率光纖激光器在工業加工方面的應用還尚未起步，激光加工處理技術并未被應用于我國的船舶制造工業中[1]。

2 目前商品化高功率光纖激光器的主要問題

當前的常規摻Yb3+雙包層石英光纖，是利用纖芯和光纖包層的材料的不同，從而調整其折射率差。但光纖的損壞率較高，這是由于波導結構的限制，維持單模傳輸的纖芯面積和光纖包層的數值孔徑較小，致使激光器高功率運作時，纖芯的能量過于密集，從而出現一些非線性效應;同時，材料摻雜不均還可能造成散射損耗。這幾點缺陷阻礙了光纖激光器性能的繼續發展。隨著20世紀90年代中期第一根光子晶體光纖（PCF）的出現，構建有源光纖設備有了新的載體。

3 高功率光子晶體光纖激光器的優勢

把PCF設置成雙包層結構，在內包層的周圍懸空放置硅網，硅條的厚度要小于傳輸波長，這樣形成的空氣包層，能有效增加PCF內包層的數值孔徑，縮小內包層的直徑，同時還保持了對泵浦光的吸收不變。并且由于增大了纖芯與內包層的面積比，更有利于纖芯對泵浦光的吸收，縮短PCF的工作長度。設計為大模面積和縮短吸收長度，能夠明顯削減非線性效應。此外，因為PCF具有無限單模傳輸的特性，使用多芯雙包層PCF可實現激光的相干合成，會顯著增強光纖激光器的光束質量和輸出功率，對光纖激光技術的發展必然會起到巨大的推動作用。

4 核心元件-雙包層多芯摻雜光子晶體光纖制備

由于PCF的開發技術和其他方面的局限性，當前我國的研究僅限于低功率和中功率的PCF激光器，且所用PCF全部來自進口，尚未見報道國產光子晶體光纖用于高功率激光器的研究。筆者的研究目標是完成一個可以輸出千瓦級（如果使用更大的泵浦源，輸出功率還能更高）的高功率光纖激光系統。為此，要完成高功率運轉的稀土摻雜雙包層微結構光纖的研究與制備。

4.1 纖芯摻雜玻璃的配方研發

在玻璃熔煉和配方設計調整過程中，為了縮短研發周期，往往需要事先根據玻璃所要求的各項性質對玻璃成分進行估算設計，以免進行不必要的探索試驗和浪費原材料。分析造成這一現象的原因，通常來說激光玻璃由稀土離子和多組分的基質玻璃熔煉獲得，基質玻璃中有許多可選組分，而每種組分按不同比例配比又會得到不同物化性能的玻璃。所以在玻璃制備過程中，配方設計是尤為重要的一個環節[2]。從預測軟件和理論計算，可以在一定范圍內縮小考察范圍，得到一系列的物理、化學和光學性能參量，并給出后期準備玻璃的溫控范圍。以下給出可能的優秀實驗配方，結果充分說明了這些都是能生成玻璃態的配方，經過冷卻可以形成玻璃，從實驗結果中也發現了合適的激光玻璃。玻璃準備和后期性能檢測實驗前后經歷一年多時間，但這已經大大縮短了研發周期，進一步體現出理論研究的巨大作用。

4.2 纖芯摻雜材料的制備工藝

硅酸鹽樣品是由傳統的高溫熔融技術制備的。與MCVD溶液摻雜法相比，用高溫熔融法制備玻璃樣品，能有效提高稀土離子濃度，促進摻雜光纖大功率激光的輸出。制備過程為：首先使用電子天平精確稱重，再在瑪瑙研缽內細磨30min，使其充分混合均勻，小心避免藥品外濺。將樣品放進預先加熱至200℃的剛玉坩堝中，繼續在馬弗爐內預熱30min;然后放入預熱至600℃的硅碳棒電爐，迅速升溫至850℃后保溫2h，再升溫至1200℃保溫1h，快速加熱至1600℃保溫3h，在30min內降溫到1500℃保溫1h;最后將其倒在預熱至300℃的鐵質模具上成型后快速放入退火爐精確退火（5℃/min）至室溫。具體制備工藝流程圖如圖1所示。

圖1 具體制備工藝流程圖

4.3 對現有拉絲塔的設備改造

現有的商用化拉絲設備都是為普通光纖設計研發的，目前市場上沒有直接為光子晶體光纖研發的專業拉絲塔，一般都是在原有拉絲塔基礎上人為改造或者外加設備，完成拉絲質量差、效率低，很難達到商用價值的光子晶體光纖，這為后期激光器的自主研發帶來了限制。

5 高功率光纖激光器的未來發展

高功率全固態激光制造是先進制造領域的標志性核心技術之一，可廣泛應用于在國民經濟中發揮關鍵作用的材料加工領域，如汽車、鐵路、航空和船舶等。全固態激光的廣泛應用，引發了多個領域的技術變革與產品升級。我國目前正處于從加工大國過渡到制造大國的關鍵時期，全面提升我國制造業的技術創新能力、自主開發能力和國際競爭能力，盡快結束我國在前沿制造領域的關鍵成套裝備基本依賴進口的現狀，具有十分重要的意義。“十一五”之前，我國所有的高功率全固態激光器全部依賴進口，關鍵成套加工設備達不到國產化，已成為制約我國汽車制造、機械制造、航天航空業、船舶制造業等自主發展的瓶頸，不僅價格昂貴，而且受到各種限制，阻礙了我國先進制造業的發展。這些應用技術還具有綜合技術集成的特點，可帶動相關關鍵技術領域的跨越式發展，形成新的高新技術產業群，獲得更大的經濟效益[3]。以激光器件技術開發突破帶動上游的晶體材料和下游的產業化應用技術鏈的整體貫穿、平衡發展，可以讓技術優勢轉為產業產品優勢，以全固態激光技術為基礎推動產業群發展，形成廣泛的社會和經濟效益。隨著連續光纖激光器的功率不斷提升，激光加工市場的不斷成熟擴大，高功率連續激光器的使用場合和數量越來越多;以往4kW、6kW就認為是高功率了，如今12kW、15kW都不算最高。根據各個展會的參展情況來看，2020年疫情過后萬瓦產品成為市場主流產品，如創鑫激光2020年發布了40kW多模連續激光器成為行業討論的熱點，在行業里掀起了一股萬瓦級高功率的風潮。由此看來，未來制造業快速發展催生技術更新需求，將拉動激光器和激光加工設備朝著高功率方向發展。

參考文獻

[1] 宋有建，胡明列，謝辰，等.輸出近百納焦耳脈沖能量的光子晶體光纖鎖模激光器[J].物理學報，2010（10）：7105-7110.

[2] 牛靜霞，周桂耀，侯藍田，等.光子晶體光纖在光纖激光器中的應用[J].光通信技術，2009（1）：44-47.

[3] 樓祺洪，周軍，朱健強，等.高功率光纖激光器與放大器[A].光子科技創新與產業化—長三角光子科技創新論壇暨2006年安徽博士科技論壇論文集[C].合肥：安徽人民出版社，2006.