高功率光纖激光市場前景可能遠超你的想象

　　高功率光纖激光技術是近年來光電子技術領域，特別是激光技術領域炙手可熱的研究方向之一，已在工業(yè)制造、醫(yī)療、能源勘探、軍事國防等領域獲得了廣泛應用。從整個高功率激光行業(yè)的發(fā)展趨勢來看，光纖激光融合了光纖的波導特性和半導體的抽運特性，具有光束質量好、效率高、散熱性好、結構緊湊、柔軟性操作等突出優(yōu)點，代表了高功率、高亮度激光的發(fā)展方向。

　　圖 光纖激光器的原理及覆蓋波長

　　0到百瓦發(fā)展了近四十年

　　目前，采用不同離子摻雜的光纖作為增益介質，可以實現從1～5 μm的全波段覆蓋;采用拉曼和非線性頻率轉換技術，可以實現紫外光、可見光和紅外線的高功率、高亮度的激光輸出。實際上早在1961年，美國科學家E.Snitzer就提出在激光腔內使用稀土摻雜光纖可以得到穩(wěn)定的單模激光輸出，但是受限于光纖制作和抽運光源，未能得到快速發(fā)展。

　　20世紀70到80年代是半導體激光器和光纖拉制工藝快速發(fā)展的二十年，得益于氣相沉積的現代化工藝和能在室溫下工作的半導體抽運源，單模光纖激光器的研究工作逐步展開。但此時光纖的信號光和抽運光皆在纖芯中傳輸，將低亮度的半導體激光高效耦合到直徑幾微米的纖芯里較為困難，所以，光纖激光器在很長時間內只能產生毫瓦級的激光輸出。

　　1988年，雙包層光纖出現，使光纖激光器的輸出功率得到明顯提升。典型的雙包層光纖結構包括纖芯、內包層和外包層三部分，外包層折射率低于內包層，因此抽運光可以在內包層中傳輸。內包層的直徑和數值孔徑可遠大于纖芯，便于高效耦合抽運光。抽運光在內包層里經多次全反射后，進入摻稀土離子的纖芯被吸收，實現激光的產生或放大。包層抽運技術的出現使光纖激光器輸出功率實現了由毫瓦級到瓦量級的提升。

　　圖 雙包層光纖示意圖

　　20世紀90年代，隨著9xx nm高功率半導體激光器和雙包層光纖制造工藝的發(fā)展，光纖激光器的輸出功率得到了迅速提升。90年代末，大模場光纖的研制促進了激光功率進一步提升。使用大模場面積光纖的同時采取一定的模式控制，使激光在大芯徑的多模光纖中單模運轉，可以大大提高非線性效應的閾值。該技術在1999年順利實現了100 W單模連續(xù)激光輸出。

　　千瓦級的突破促生繁榮市場

　　2004年，南安普敦大學的Jeong等世界上首次實現了千瓦級光纖激光輸出。他們利用975 nm LD雙端抽運纖芯直徑43 μm的雙包層摻鐿光纖，產生了1.01 kW的1090 nm激光輸出。同年，進一步優(yōu)化激光器參數并繼續(xù)增加抽運功率，使激光器的輸出功率提高到了1.36 kW，由于減小了摻鐿光纖的纖芯直徑和數值孔徑，輸出激光的光束質量得到了明顯改善(M2=1.4)。

　　千瓦級光纖激光器的出現使得高功率光纖激光真正走向了應用市場，各研究單位、創(chuàng)業(yè)公司如雨后春筍般出現，呈現出欣欣向榮的景象。2012年，IPG曾報道了20 kW的單模和100 kW的多模光纖激光器，這也是目前光纖激光激光器的最大功率。

　　我國的高功率光纖激光器研發(fā)起步較晚，但發(fā)展迅速。2001年中科院上海光機所在國內率先開展了高功率光纖激光技術的理論與實驗研究，2005年率先突破千瓦大關獲得單纖連續(xù)激光1.05 kW的輸出，并在2009年利用國產光纖實現1.75 kW功率輸出。隨后清華大學、國防科技大學、西安光機所、銳科、創(chuàng)鑫、飛博等多家單位也實現了千瓦和數千瓦級的激光輸出。

　　中科院上海光機所在國內也率先開展了光纖激光相干合成和光譜合成技術研究。2006年，利用自成像結構實現相干合成，隨后，國際上首次利用該技術實現了二維光纖激光相干合成。“十二五”期間就率先開展光纖激光光譜合成技術研究，并率先采用光譜合成技術突破10 kW大關，引領高功率光纖激光技術的發(fā)展潮流。

　　圖 IPG十千瓦光纖結構

　　以近衍射極限的單模摻Yb3+光纖激光器功率發(fā)展情況為例(如下圖)，經預測，如果光纖的模場面積能夠合理地增加，采用二極管直接抽運，從單纖激光器或放大器中可得到36 kW的近衍射極限輸出，采用同帶抽運能夠提升輸出功率到67 kW甚至更高到97 kW，接近100 kW量級。提升功率到這樣超高量級將涉及超大直徑的光纖拉制和穩(wěn)定的單模操作，具有很大的挑戰(zhàn)性。

　　盡管摻鐿光纖激光器的輸出功率已突破10 kW，但目前光纖激光器的功率提升依然受到抽運光亮度、熱效應、非線性效應和模式不穩(wěn)定的限制。如何設計新穎的光纖結構，發(fā)展低損耗的光纖器件，提高抽運二極管的亮度，優(yōu)化散熱結構，改變傳統的抽運方式是未來光纖激光器發(fā)展的主流趨勢。

　　圖 高功率包層抽運的摻Yb3+光纖激光器的功率提升。圖中同時涵蓋了多模光纖激光器(MM)，二極管直接抽運(SM-DP)激光器和同帶級聯抽運(SM-TP)的激光器功率提升情況。

　　需求驅動技術發(fā)展、市場變動

　　高功率光纖激光技術飛速發(fā)展的一個巨大動因是工業(yè)制造和國防應用的需求驅動。

　　光纖激光器按照輸出功率可分為三個層次：低功率光纖激光器(<100 W)主要用于激光打標、鉆孔、精密加工以及金屬雕刻等;中功率光纖激光器(<1.5 kW)主要用于金屬材料的焊接和切割，金屬表面的翻新處理;高功率光纖激光器(>1.5 kW)主要用于厚金屬板的切割、特殊板材的三維加工等。

　　高功率光纖激光器還有一項重要的工業(yè)應用，是天然氣鉆探和深海新能源的獲取。美國氣體開發(fā)技術研究所使用IPG公司的5 kW光纖激光器對巖石進行了切割及粉碎實驗，與傳統的方法相比，采用光纖激光器穿透的孔眼更深，能夠降低損害并提高產量。目前，高功率光纖激光器已廣泛應用于工業(yè)領域，由于其生產力和成本優(yōu)勢，逐漸取代了以往其它種類的激光器。

　　圖 各類光纖激光器在能量需求上和進行巖石去除所需能量的對比(HPFL：高功率光纖激光器)

　　2016年，全球激光器總銷售額為104億美元，其中千瓦級高功率激光加工市場占據了15億美元，高功率光纖激光器在激光加工市場備受矚目。同時，2016年也是全球光纖激光產業(yè)整合并購的大年，有相干公司和羅芬公司的聯姻、昂納科技收購ITF公司進軍光纖激光產業(yè)、NKT收購Fianium公司、大族激光收購光纖制造廠商Coractive、DILAs與m2k-Laser公司的合并等等。

　　各大公司開始整合光纖激光制造涉及的各個方面，力求把光纖激光核心器件的研發(fā)與生產牢牢掌控在自己手中，同時最大限度的降低成本，以期獲得更高的商業(yè)利潤。

　　隨著市場應用的推動和國家戰(zhàn)略規(guī)劃，近年，受國家自然科學重點基金、國家863計劃、科技部重點專項、以及各地方政府的重視，我國對光纖激光技術前沿探索、成果轉化、和產業(yè)升級均大力支持，國產高功率光纖激光器的研究和產業(yè)化也得到了快速發(fā)展。

　　目前，國產千瓦級以下光纖激光器的銷量，已經以壓倒性的優(yōu)勢超越了進口產品，而且價格也大幅下降，基本實現了全國產化批量生產。然而高功率光纖激光器的國內市場情況截然不同，由于核心材料和器件受限等原因，目前仍處于關鍵技術和工程化研發(fā)階段，主要由進口產品主導，國產產品數量稀少。中國高功率光纖激光器產業(yè)化還有很長的路要走。

國外國防應用需求是重要推手

　　歐美、俄羅斯等軍事強國非常重視高功率光纖激光器的國防應用，這成為了高功率光纖激光技術迅速發(fā)展的重要推手。光纖激光器除了光束質量好，亮度高外，其效率高、產熱少、結構堅固且緊湊，激光通過光纖傳輸到光束合成的便利性也是其優(yōu)勢。目前，國外很多研究機構已經開展光纖激光器反簡易爆炸裝置、迫擊炮彈和對抗無人機等目標的研究的報道，裝載平臺也呈現多樣化。

　　圖 LAWs激光系統和洛克馬丁公司的30kW激光器擊打無人機實驗

　　早在2004年，美國SPATA公司將2 kW多模光纖激光器安裝到“宙斯”激光掃雷系統中，在阿富汗成功執(zhí)行了掃雷任務;2010年，美國海軍進行了光纖激光近防系統(LAWs)的試驗，LAWs以非相干合成的方式實現了33 kW的最大功率輸出，在隨后的試驗中，其在3.2 km的距離連續(xù)擊落了4架時速為300多公里的無人機;2015年，美國洛克希德·馬丁公司采用30 kW的光纖激光組束系統成功摧毀了一英里外的激光引擎;2017年在陸軍白沙靶場擊落了5架翼展3.3 m的“法外狂徒”系統無人機，其集中光束打擊和執(zhí)行速度比之前的激光束快了兩倍。

　　總而言之，大力發(fā)展高功率光纖激光技術將滿足新時期新環(huán)境下眾多領域對高亮度激光的需求，對國民經濟和國家安全具有重要意義。