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，進一步優化激光器參數并繼續增加抽運功率，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、創業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起步較晚，但發展迅速。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定的單模操作，具有很大的挑戰性。

　　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定的限制。如何設計新穎的光纖結構，發展低損耗的光纖器件，提高抽運二極管的亮度，優化散熱結構，改變傳統的抽運方式是未來光纖激光器發展的主流趨勢。

　　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。