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(tǒng)，包含光纖光柵技術(shù)、激光二極管泵浦源技術(shù)、雙包層光纖制作技術(shù)和耦合技術(shù)。近年來，在國內(nèi)外激光領(lǐng)域內(nèi)引起了研究者們的廣泛關(guān)注。文章在目前國內(nèi)外已有研究的基礎(chǔ)上，圍繞高功率摻鐿雙包層光纖激光器，從應(yīng)用前景、主要問題、主要優(yōu)點、核心器件和未來發(fā)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(fā)展脈絡(luò)，以期能為研究者提供深入研究的信息。

關(guān)鍵詞：高功率;光子晶體光纖;激光器

中圖分類號：TN248 文獻標(biāo)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(yīng)用前景

光纖激光器以其寬窄線、低閾值、可調(diào)諧、高效率、高性價比和緊湊小巧等特點受到廣泛關(guān)注，稀土摻雜光纖激光器更是被廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、軍事、通信、測量、傳感和醫(yī)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(chǎn)高功率雙包層光纖激光器產(chǎn)品。IPG的連續(xù)摻鐿光纖激光系統(tǒng)，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(tǒng)的應(yīng)用價值非常高，因為其可以實現(xiàn)其他激光技術(shù)無法達到的許多應(yīng)用?！比缃瘢跉W美等地區(qū)的很多發(fā)達國家，激光加工技術(shù)被實際運用在約50%到70%的汽車零部件生產(chǎn)上，上海大眾等汽車制造廠商也在使用激光加工技術(shù)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(yè)，使用了高功率平板激光切割系統(tǒng)進行作業(yè);日本和歐美國家的部分大型船廠都已經(jīng)大規(guī)模配備激光加工技術(shù)，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(fā)展前景良好的激光輔助平板成型技術(shù)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(fā)工業(yè)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(xué)技術(shù)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(tǒng)（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(shù)開辟了新途徑。中國目前已經(jīng)研制出一系列中小功率激光加工設(shè)備和小功率工業(yè)光纖激光產(chǎn)品，如激光打標(biāo)機、切割機、焊接機、雕刻機等，各行各業(yè)都有了廣泛應(yīng)用。但是，大功率光纖激光器在工業(yè)加工方面的應(yīng)用還尚未起步，激光加工處理技術(shù)并未被應(yīng)用于我國的船舶制造工業(yè)中[1]。

2 目前商品化高功率光纖激光器的主要問題

當(dāng)前的常規(guī)摻Y(jié)b3+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(diào)整其折射率差。但光纖的損壞率較高，這是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的限制，維持單模傳輸?shù)睦w芯面積和光纖包層的數(shù)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(xiàn)一些非線性效應(yīng);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(xù)發(fā)展。隨著20世紀(jì)90年代中期第一根光子晶體光纖（PCF）的出現(xiàn)，構(gòu)建有源光纖設(shè)備有了新的載體。

3 高功率光子晶體光纖激光器的優(yōu)勢

把PCF設(shè)置成雙包層結(jié)構(gòu)，在內(nèi)包層的周圍懸空放置硅網(wǎng)，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(nèi)包層的數(shù)值孔徑，縮小內(nèi)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(nèi)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(shè)計為大模面積和縮短吸收長度，能夠明顯削減非線性效應(yīng)。此外，因為PCF具有無限單模傳輸?shù)奶匦?，使用多芯雙包層PCF可實現(xiàn)激光的相干合成，會顯著增強光纖激光器的光束質(zhì)量和輸出功率，對光纖激光技術(shù)的發(fā)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(fā)技術(shù)和其他方面的局限性，當(dāng)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(chǎn)光子晶體光纖用于高功率激光器的研究。筆者的研究目標(biāo)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(tǒng)。為此，要完成高功率運轉(zhuǎn)的稀土摻雜雙包層微結(jié)構(gòu)光纖的研究與制備。

4.1 纖芯摻雜玻璃的配方研發(fā)

在玻璃熔煉和配方設(shè)計調(diào)整過程中，為了縮短研發(fā)周期，往往需要事先根據(jù)玻璃所要求的各項性質(zhì)對玻璃成分進行估算設(shè)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(xiàn)象的原因，通常來說激光玻璃由稀土離子和多組分的基質(zhì)玻璃熔煉獲得，基質(zhì)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(shè)計是尤為重要的一個環(huán)節(jié)[2]。從預(yù)測軟件和理論計算，可以在一定范圍內(nèi)縮小考察范圍，得到一系列的物理、化學(xué)和光學(xué)性能參量，并給出后期準(zhǔn)備玻璃的溫控范圍。以下給出可能的優(yōu)秀實驗配方，結(jié)果充分說明了這些都是能生成玻璃態(tài)的配方，經(jīng)過冷卻可以形成玻璃，從實驗結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)了合適的激光玻璃。玻璃準(zhǔn)備和后期性能檢測實驗前后經(jīng)歷一年多時間，但這已經(jīng)大大縮短了研發(fā)周期，進一步體現(xiàn)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(tǒng)的高溫熔融技術(shù)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(nèi)細(xì)磨30min，使其充分混合均勻，小心避免藥品外濺。將樣品放進預(yù)先加熱至200℃的剛玉坩堝中，繼續(xù)在馬弗爐內(nèi)預(yù)熱30min;然后放入預(yù)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(nèi)降溫到1500℃保溫1h;最后將其倒在預(yù)熱至300℃的鐵質(zhì)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(xiàn)有拉絲塔的設(shè)備改造

現(xiàn)有的商用化拉絲設(shè)備都是為普通光纖設(shè)計研發(fā)的，目前市場上沒有直接為光子晶體光纖研發(fā)的專業(yè)拉絲塔，一般都是在原有拉絲塔基礎(chǔ)上人為改造或者外加設(shè)備，完成拉絲質(zhì)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(fā)帶來了限制。

5 高功率光纖激光器的未來發(fā)展

高功率全固態(tài)激光制造是先進制造領(lǐng)域的標(biāo)志性核心技術(shù)之一，可廣泛應(yīng)用于在國民經(jīng)濟中發(fā)揮關(guān)鍵作用的材料加工領(lǐng)域，如汽車、鐵路、航空和船舶等。全固態(tài)激光的廣泛應(yīng)用，引發(fā)了多個領(lǐng)域的技術(shù)變革與產(chǎn)品升級。我國目前正處于從加工大國過渡到制造大國的關(guān)鍵時期，全面提升我國制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力、自主開發(fā)能力和國際競爭能力，盡快結(jié)束我國在前沿制造領(lǐng)域的關(guān)鍵成套裝備基本依賴進口的現(xiàn)狀，具有十分重要的意義?！笆晃濉敝埃覈械母吖β嗜虘B(tài)激光器全部依賴進口，關(guān)鍵成套加工設(shè)備達不到國產(chǎn)化，已成為制約我國汽車制造、機械制造、航天航空業(yè)、船舶制造業(yè)等自主發(fā)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(yè)的發(fā)展。這些應(yīng)用技術(shù)還具有綜合技術(shù)集成的特點，可帶動相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，形成新的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)群，獲得更大的經(jīng)濟效益[3]。以激光器件技術(shù)開發(fā)突破帶動上游的晶體材料和下游的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)鏈的整體貫穿、平衡發(fā)展，可以讓技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)為產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品優(yōu)勢，以全固態(tài)激光技術(shù)為基礎(chǔ)推動產(chǎn)業(yè)群發(fā)展，形成廣泛的社會和經(jīng)濟效益。隨著連續(xù)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(xù)激光器的使用場合和數(shù)量越來越多;以往4kW、6kW就認(rèn)為是高功率了，如今12kW、15kW都不算最高。根據(jù)各個展會的參展情況來看，2020年疫情過后萬瓦產(chǎn)品成為市場主流產(chǎn)品，如創(chuàng)鑫激光2020年發(fā)布了40kW多模連續(xù)激光器成為行業(yè)討論的熱點，在行業(yè)里掀起了一股萬瓦級高功率的風(fēng)潮。由此看來，未來制造業(yè)快速發(fā)展催生技術(shù)更新需求，將拉動激光器和激光加工設(shè)備朝著高功率方向發(fā)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(xué)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(yīng)用[J].光通信技術(shù)，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(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化—長三角光子科技創(chuàng)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.