光纖激光器結構緊湊、電光效率高，一個重要的原因是采用半導體激光器作為泵浦源。半導體激光器采用PN結作為發光光源，電泵浦直接出光，電光效率在50%左右。目前單芯片出光功率已經突破30W，采用空間合成、偏振合成和光譜合成等多種方式進一步提升功率至數百瓦。合成之后的半導體激光通過透鏡耦合進入輸出尾纖，并經合束器進入增益光纖。
目前摻鐿光纖激光器主要的泵浦波長有三種，即915nm、976nm和1018nm，其中前兩種主要在工業產品中使用，最后一種目前主要用于超高單纖功率科研產品中。摻鐿光纖激光器的泵浦波長的選擇主要是由摻鐿光纖（YDF）的吸收發射譜所決定的，如圖1所示。
可見，YDF在915nm附近和976nm附近各有一個吸收峰，其中915nm的吸收峰的吸收截面為976nm吸收峰的1/3，而915nm吸收峰的寬度則遠大于976nm吸收峰。吸收峰的特征也決定了為何早期工業激光器絕大部分采用915nm而非976nm作為泵浦源。近年來，隨著976nm芯片和封裝技術的日漸成熟，基于976nm泵浦的激光器效率更高，成本更低，976nm泵浦技術在工業領域也逐漸開始大規模應用。
隨著激光器功率的不斷提升，常規的半導體泵浦亮度已經很難滿足要求超高功率單纖輸出的要求，IPG最早提出了基于1018nm級聯泵浦方案，并基于此方案實現了單纖20kW的功率輸出，如圖2所示。1018nm級聯泵浦的基本思路是，先利用976nm的半導體激光泵浦產生1018nm激光，將激光亮度提升數個量級，然后再將1018nm激光進行合束，并用于泵浦1080nm的激光，單纖激光器功率提升的泵浦亮度限制被打開。
1018nm的光纖激光器作為高亮度泵浦源優勢明顯，但是這種波長位于摻鐿光纖的吸收譜的邊緣，吸收系數僅相當于976nm的峰值吸收系數的1/18。并且，1018nm的激光器產生過程極易發生自激現象，出現不穩定的1030nm光譜，從而導致激光器發生破壞。為了抑制激光器不穩定的自激效應，光至科技基于理論設計和工程優化完成了子束350W，合成超過6500W的1018nm激光器輸出。
子束采用轉換效率最高的20/130光纖體系，實現單模塊350W高功率高亮度輸出。采用19*1信號合束器，極高的合成效率實現大于6500W功率輸出，且輸出光纖為135/155/NA0.22規格，適合作為單纖20kW甚至30kW的激光器泵浦源。
光纖激光器的功率提升之路還在持續，適用的工作場景越來越多，工程化程度也越來越高，市場前景廣闊，大有可為。這些成果的取得一方面得益于我國在高功率光纖激光器領域研發的持續大量的投入，突破了關鍵材料、器件和系統的核心技術，培養了一批專業人才，另一方面得益于近年來光纖激光器在工業領域的大規模應用，使得整個產業鏈更為完整，規模化優勢逐漸顯現。
來源：OFweek激光
|
中文版
ENGLISH
