7大类光纤激光器*技术，你了解多少？

光纤激光器诞生于20世纪60年代。随着玻璃光纤材料的发展、高功率光纤设备的成熟和高亮度、高功率半导体泵送源的商业化，光纤激光技术发展迅速。如今，光纤激光技术深刻地改变了我们的世界和生活。

一、光纤激光器的基本原理及分类

光纤激光器的基本原理和分类

在光纤激光器中，光纤起着增益介质的作用。较早个是单层光纤激光器。抽射激光和输出激光在纤维芯中传输。由于纤维芯的值孔径小，抽射亮度要求相对较高，输出功率相对较低，光纤放大器可以进一步放大以满足应用。

双包层光纤激光器出现后，光纤激光技术革命性发展，内包层数值孔径大，低亮度抽运光可在内包层传输，高亮度激光在芯中传输，抽运亮度要求低，可耦合到内包层抽运光功率大大提高，大大提高了双包层光纤激光器的输出功率。

光纤激光器按工作模式可分为：连续光纤激光器和脉冲光纤激光器。目前，连续光纤激光输出功率已超过1万瓦，工业大功率连续光纤激光主要用于激光切割、焊接、熔化等领域；脉冲光纤激光分为纳秒、皮秒、飞秒，工业化成熟的脉冲光纤激光是纳秒脉冲光纤激光，脉冲能量可达到几十毫焦水平，主要用于激光标记、激光清洗等领域，超快速光纤激光发展迅速，主要用于激光冷加工、硬质材料加工、精细加工等工业应用。

根据腔体形状，光纤激光器可分为：线性腔光纤激光器和环腔光纤激光器。线性腔光纤激光器为驻波腔结构，高功率双包层光纤激光器一般采用线性腔结构；环腔光纤激光器为行波腔结构，通常采用单模光纤件，可作为光通信光源和种子激光。

光纤激光器模，光纤激光器可分为单频和非单频光纤激光器。单频光纤激光器为单纵模输出，相关性高SBS效应阈值低；多纵模光纤激光器光谱较宽，包括多纵模，相干性较差，但不易受影响SBS效应影响。

根据系统结构，光纤激光器可分为：单振荡器结构光纤激光器和主振荡功率放大（MOPA）结构光纤激光器。单振荡器结构的光纤激光器具有结构简单、只有一个激光谐振腔的特点（CW）激光振荡器输出功率已达到~6 kW；MOPA结构光纤激光器的特点是：基于激光振荡器、一级或多级光纤放大器MOPA准单模连续光纤激光器的较大输出功率已达到~20 kW。

非线性光纤激光器：利用光纤的非线性效应提供激光等增益（Ra n）布里渊，光纤激光器（SBS）光纤激光器，光纤参量振荡器（OPO）等。

分为掺杂稀土离子：

掺入式光纤激光器：辐射波段1 μm；能级结构简单，无刺激性吸收；量子转换效率高；吸收谱与商用高功率半导体激光相匹配（LD）输出功率高(单模连续光输出~20 kW）。

诱饵与诱饵共掺光纤激光器：辐射波段1.5 μm，与通信波段匹配；人眼安全；利用能量转换过程，提高泵送光的吸收，提高激光效率。

掺光纤激光器：辐射波段2 μm；人眼安全；理论上具有200%的量子效率;较高输出功率已破干瓦(连续);高功率/高能激光输出潜力巨大。

激光器的输出波长由光纤的玻璃基材料和混合稀土离子共同决定，光纤激光器的工作波段已覆盖可见光、近红外和中红外波段。

激光增益光纤的玻璃基质材料包括石英玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃和氟化物玻璃。目前，应用较广泛的激光增益光纤是石英玻璃光纤，技术成熟，性能优越，商业化广泛；波长传输范围广（0.38-2.1 μm），低传输损耗(较低0.2 dB/km）；折射率调节范围宽，大数值孔径易于实现；机械强度高，弯曲性能好；切割、焊接、涂层工艺成熟，光纤间高强度、高质量耦合易于实现。

二、光纤激光器*技术的发展

光纤激光器*技术的发展

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高功率连续光纤激光器*技术

高功率连续光纤激光器主要分为单纤单模高功率光纤激光器和基于激光束的多模高功率光纤激光器。其中，单纤单模高功率光纤激光器一般采用单纤振荡器结构或MOPA结构。使用单纤维单模激光器，光谱合成和相关合成可达到数十到数百千瓦的激光输出，激光亮度降低，但仍保持高亮度；在工业应用中，一般不需要高亮度，可以使用单模块获得一定的功率，如1000-3000 W单模激光，然后利用光纤合束器合成非相干功率，实现高功率。

在国际上，美国IPG公司推出单模10 kW，少模20 kW连续光纤激光器，合束多模500 kW连续光纤激光器。

国防科技大学、海富光子、中国工程物理研究所拥有单纤千瓦连续光纤激光器；创新激光推出多模合束35 kW连续光纤激光器；瑞科激光、飞博激光、海富光子、上海光辉、大科激光等。 kW激光器。2017年，海富光子报道了用半导体直接抽取的单纤8 kW光纤激光器。2018年，中国工程物理研究院报道了基于国产光纤的单纤10 kW光纤激光器。2018年，国防科技大学报道了基于国内光栅器件的5.2 kW连续激光振荡器。

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单频窄线宽光纤激光器*技术

单频窄线宽光纤激光器是一种具有优异单色性和相关性的单纵模输出，可用于雷达传感领域。由于其前瞻性强，其发展备受关注。该技术的主要发展方向是超窄线宽、超低噪声、特殊波段、高能量、高功率等。

2004年，超窄线宽单频光纤激光器，NP photonics 公司报道了2 kHz基于线宽的单频光纤激光器DBR单频光纤激光器具有短腔结构，可实现千赫兹量级光谱线宽度，已实现商用化。2014年，国内研究开始跟上国际步伐。华南理工大学利用虚拟环形折叠腔降低空间烧孔效应，延长腔内声子寿命600 Hz超窄线宽单频光纤激光。

2012年，对于特殊波段的单频光纤激光器，NP Photonics公司报道976 nm磷酸盐光纤激光器单频掺镜。同年，报道1.2 μm单频掺钬ZBLAN开发光纤激光器相当困难。2013年，悉尼大学首次报道中红外2.9 μm基于单频光纤激光器的单频光纤激光器Ho/Pr共掺 ZBLAN光纤。2015年，国内天津大学、海富光子报道1.95 μm石英光纤激光器单频混合，一年后报道930 nm单频钕石英光纤激光器。NKT Photonics近年来，公司单频光纤激光产品销售表现良好，NP Photonics公司、Fibertek、Addvalue 一直致力于单频光纤激光产品的生产和研发。目前，单频半导体激光器是单频光纤激光器的强大竞争对手。

为了进一步提高窄线宽光纤激光器的功率，受激布里渊散射会遇到各种非线性限制（SBS）它是限制单频光纤激光功率/能量提升的主要因素。抑制受激布里渊散射的一般手段主要包括：增加纤芯模场面积，使用特殊光纤降低光场和声场重叠，增加单位增益，降低光纤长度，降低温度和应力梯度SBS增益。

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光纤

2012年，NP Photonics毫焦量级单频纳秒脉冲光纤激光器首次报道。

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高功率连续单频光纤激光器

2007年，康宁报道502 W、10 nm单频连续光纤激光器通过改变纤芯的掺杂成分和浓度，大大提高了声场和光场的重叠度SBS阈值。

2009年，诺斯罗普格鲁曼报道608 W、2040 nm单频连续光纤激光器(2) μm较大波段功率)。

811 W、10 nm单频连续光纤激光器是目前已报道的较高功率单频1 μm输出。同年，国防科技大学报道了411 W、10 nm单频连续光纤激光器对主放大有源光纤施加纵向应力场SBS阈值。这是目前已报道的全光纤结构光纤激光器的最大功率。

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高功率窄线宽连续光纤激光器

通过调整单频光纤激光器的相位，可以适当扩大单频光纤激光器的光谱线宽度，但仍保持单纵模特性。放大光谱宽度后的窄线宽光纤激光器可以实现数千瓦的高功率连续光纤激光器。2016年，麻省理工大学报道了3.1

kW窄线宽连续光纤激光器。该激光器包括透镜、双色镜和其他体光元件。2018年，国防科技大学报道了3个全光纤结构.94 kW窄线宽连续光纤激光器，但模式不稳定。2019年，中国科技大学和中国工程物理研究所报道了全光纤结构3.7 kW、10 nm窄线宽连续光纤激光器。

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高功率纳秒脉冲光纤

对于纳秒脉冲光纤激光器，基于工业应用需求的研究相对较多。主要以Q脉冲激光器或调制脉冲激光器为种子激光，基于MOPA脉冲能量/功率通过级联光纤放大器逐步放大。

密歇根大学于2005年报道 μm波段、87 mJ、24 MW纳秒光纤激光器具有峰值功率和空间结构。2013年，耶拿大学报道了1 μm波段单模、26 mJ高能纳秒光纤激光器(空间结构)采用专利特殊光纤，缺点是增益光纤不能缠绕弯曲。

目前，IPG有5000 W、100 mJ、100 ns 光纤激光产品。2013年，天津大学和海富光子报道了全光纤结构11 mJ高能纳秒光纤激光器。海富光子平均功率1200 W，能量30-50 mJ工业级纳秒光纤激光器产品的全光纤结构。同年，中佛罗里达大学报道了2 μm波段兆瓦级峰值功率纳秒光纤激光器以掺杂光子晶体光纤为主放大器有源光纤。

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超快光纤激光器

超快光纤激光器一般通过锁模激光实现皮秒、飞秒激光脉冲，将向超短脉冲、新波段、高能量、高功率发展。

亚利桑那大学于2010年报道了14 fs超快速飞秒光纤激光器。耶拿大学2011年报道GW高峰功率飞秒光纤激光器。2013年，天津大学报道< 25 fs超快速飞秒光纤激光器。2018年，耶拿大学报道了干瓦级平均功率飞秒光纤激光器，这是已知报道的较大平均功率飞秒光纤激光器。

2019年，上海光机利用国产微结构光纤实现1 μm波段272 W皮秒光纤放大器的平均功率。同年，北京工业大学报道了脉冲能量27 μJ飞秒光纤激光器的主要放大级采用掺合式光子晶体光纤，光栅压缩脉宽至173 fs。2014年，北京大学报道了910 nm，935 nm锁模光纤激光器。2015年，拉瓦尔大学在中红外波段取得了良好的研究成果，报道了3 μm波段锁模光纤激光器。超快光纤激光器的研发取得了许多优异的成果，如安扬激光。

许多国内外企业致力于研发和生产超快光纤激光产品，主要是为了提高其性价比和稳定性，以满足工业加工的需要。

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红外光纤激光器

目前对中红外光纤激光器的研究较多 ZBLAN光纤的3 μm波段中红外光纤激光器。未来的主要发展方向是高功率、全光纤、中红外锁模、中红外超连续等。

2009年，京都大学报道了24 W中红外3 μm波段光纤激光器(空间结构，液冷)。2011年，拉瓦尔大学报道了2011年 W、3μm波段光纤激光器(全光纤结构，被动制冷)ZBLAN光纤焊接是实现全光纤结构的重大突破。2018年，拉瓦尔大学报道了41.6 W中红外3 μm波段光纤激光器是目前报道的最大功率全光纤3 μm波段光纤激光器。

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超连续光纤激光器

超连续光纤激光器是一种具有普通光源的新型激光器( 宽光谱特性及单色激光光源的方向性、高空间相干性、高亮度等特点。超连续谱的产生通常是指窄带激光进入非线性介质后，在各种非线性效应下进入激光( 如调制不稳定、自相位调制、交叉相位调制、四波混频、孤子自频移、受激拉曼散射等。 在色散的综合影响下，光谱得到了了。主要发展方向是高功率、中红外波段和更宽的超连续光谱覆盖范围。

2015年，国防科技大学报道了基于激光束的多模高功率200 W超连续激光。2018年，四川大学报道了基于光子晶体光纤的高功率215 W超连续激光。北京工业大学等也有一些好的报道。

2011年，密歇根大学在中红外报道ZBLAN光纤中红外超连续光纤激光。2019年，吉林大学报道了中红外超连续光纤激光，光谱范围为1-4 μm。

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其它光纤激光器

2019年，上海光机研究所报道了一种新型掺镱锁模拉曼光纤激光器，使用“8”自腔结构锁模。同年，清华大学报道了4 kW同带抽运随机光纤激光器，是已报道该类激光器中的较高功率。

三、小结

小 结

总体来说，光纤激光器发展历史悠久，但又充满活力；它结构简单，种类繁多；各类型光纤激光器相关领域研究火热，*技术突飞猛进。从光纤激光器材料、结构、性能等各方面还有许多问题需要研究。