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中国激光, 2021, 48 (4): 0401004, 网络出版: 2021-02-03   

高功率掺镱光纤振荡器: 研究现状与发展趋势 下载： 2875次

High-Power Ytterbium-Doped Fiber Laser Oscillator: Current Situation and Future Developments
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王小林 1,2,3,*张汉伟 1,2,3杨保来 1,2,3奚小明 1,2,3王鹏 1,2,3史尘 1,2,3王泽锋 1,2,3周朴 1,2,3,*许晓军 1,2,3,**陈金宝 1,2,3
作者单位
1 国防科技大学前沿交叉学科学院, 湖南 长沙 410073
2 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 湖南 长沙 410073
3 高能激光技术湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410073
光纤激光器 光纤振荡器 非线性效应 模式不稳定性 功率提升 fiber lasers fiber laser oscillators nonlinear effect mode instability power scaling 
摘要
近年来,高功率掺镱光纤振荡器的输出功率和光束质量不断提升,在工业、科研等领域得到了越来越广泛的应用。目前,多模掺镱光纤振荡器的输出功率已经突破17.5 kW,近单模光纤振荡器输出功率已经突破8 kW。本文对掺镱光纤振荡器在科研和工业领域的研究现状进行详细介绍,分析掺镱光纤振荡器未来的发展趋势;对进一步提升掺镱光纤振荡器功率和光束质量的各项关键技术进行剖析,给出了万瓦级近单模高功率掺镱光纤振荡器的技术方案,以期为更高功率光纤振荡器的发展提供技术参考。
Abstract

Significance In recent years, with the continually improved power and beam quality of the high-power Ytterbium-doped fiber laser oscillator, laser oscillators are being extensively used in industry, scientific research, and other areas. Compared with the master oscillator power amplification (MOPA) fiber laser configuration, fiber laser oscillators hold the advantages of compact volume, easy control logic, low cost, anti-reflection, and high stability. With the development of fiber components and processing technology, the output power and beam quality of fiber laser oscillators will improve, and may be used instead of the MOPA fiber laser in the future.

Progress In scientific research, early in 2012, the Alfalight company reported all fiber laser oscillators with output power of 1 kW. Since then, the output power of the laser oscillator continued to increase every year and increased a lot in the last two years. In 2014, the Coherent company reported single-mode fiber laser with power of 3 kW in spatial structure. Soon, Laserline Gmbh reported 17.5 kW multi-mode fiber laser in spatial structure in 2019 ( Fig. 2). Compared with the oscillators in spatial structure, all fiber laser oscillators got more attention by the researchers. After 2016, many institutions studied single-mode laser oscillators in detail, and the output power increased from 2 kW in 2015 to 8 kW in 2020. In 2020, Fujikura reported the highest single-mode, all-fiber laser oscillator with output power of 8 kW ( Fig. 9). In our group, we are studying laser oscillator from 2010. In 2012—2020, we also demonstrated all-fiber laser oscillators with output power from 1 kW to 6 kW ( Fig. 6).

In 2010, the CoreLase company launched the fiber laser oscillator product with output power of 1 kW. After 5 years, the CoreLase company launched a 2 kW laser oscillator product. In 2015, Maxphotonics company in China also launched a 1.5 kW laser oscillator product in cooperation with our group. Since 2017, a lot of laser companies such as Lumentum, GW laser, Reci laser, Feibo Laser, and DK laser launched fiber laser oscillator products with output power from 2 kW to 4 kW (Table 2).

As we know, IPG photonics demonstrated a 10 kW single mode fiber laser with MOPA configuration. After that time, fiber laser with MOPA configuration was being developed. Many institutions demonstrated output power from 5 kW to 10 kW in recent years (Table 3). In China, some institutions including CEAP, Tsinghua University, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, and our group demonstrated MOPA laser with power more than 10 kW (Table 3). However, in the industry, only after 2019, Raycus laser and Maxphotonics launched MOPA laser products with power 3--6 kW (Table 3), and most of these were not single mode products. On comparing the production of fiber laser in scientific research and in industry, we can see that the time from scientific reported laser to the industry product in fiber laser with MOPA configuration needs almost three years, which is longer than that of the fiber laser oscillator. The possible reason could be that the laser oscillator holds the advantages of anti-reflection and high stability than the fiber laser with MOPA configuration, which gives the fiber laser oscillator a more practical option in industry. So, we can see that laser oscillators are widely used than the MOPA fiber lasers in industry. And also, in some experiment, researchers found that the fiber laser oscillator held a higher mode instability threshold than that in fiber laser with the MOPA configuration (Fig. 11).

For the future, the develop tendency of Ytterbium-doped fiber laser includes scaling both power and efficiency with good beam quality, generating special beam pattern in practice application, and extending the laser wavelength to short and long wavelengths.

To scale the fiber laser performance, close attention needs to be paid to these key technologies: high efficiency and loss pump & signal combiner are the essential preconditions for high power and good beam quality fiber laser; high efficiency and relative low absorption laser diode as the pump source for the gain fiber is the key component for increasing laser power and efficiency; new types of gain fiber such as spindly fiber are an effective method for balancing the nonlinear effect and mode instability; specific fiber grating is an effective way for lasers with controllable beam quality. Considering these technologies, a technical proposal for 10 kW high-power Ytterbium-doped laser oscillator is provided. In this proposal, we have used most of the above-mentioned technologies.

Conclusions and Prospect With further expansion in the fiber laser, the requirements for the power and beam quality of the fiber laser oscillator will increase. If using the conventional technology method for the near single-mode fiber laser oscillator, technical bottleneck will be encountered during the power increasing. Our new technical proposal combined the special high efficiency and loss pump & signal combiner, high efficiency and relative low absorption laser diode, gain fiber with vibrational core diameter and end cap with tapered fiber, which can provide a breakthrough regarding the power limitation of the conventional fiber laser, and help scale the power of single mode fiber laser oscillator to more than 10 kW.

1 引言

光纤激光器具有高效率、低热负荷、高光束质量、可柔性传输等优点,在工业加工、材料处理、**科研等领域具有广泛的应用前景[1-2]。与主振荡功率放大(MOPA)结构的光纤放大器相比,光纤振荡器具有结构紧凑、控制逻辑简单、成本低廉、抗反射回光能力强、稳定性好等优点。随着光纤器件和工艺的发展,掺镱光纤振荡器(后文简称光纤振荡器)的输出功率和光束质量不断提升。2018年,国防科技大学[3]和日本藤仓公司[4]分别报道了全光纤5 kW近单模光纤振荡器。2019年,日本藤仓公司将该单模5 kW激光器用于铜片材料处理,得到了比多模激光更好的效果[5]。2019年,德国Laserline公司在Photonics West会议上报道了输出功率达17.5 kW的空间结构多模光纤振荡器,在报道中他们指出,基于类似平台的功率为6 kW、光束质量为4 mm·mrad的光纤激光器已成为标准商业产品[6]。2020年,日本藤仓公司在Photonics West会议上又报道了输出功率突破8 kW的近单模光纤振荡器[7]。相关研究表明,在输出激光功率与光束质量方面,光纤振荡器与MOPA结构光纤放大器的差距逐渐缩小。此外,根据德国耶拿大学的研究结果,表明在某些情况下光纤振荡器具有比光纤放大器更高的模式不稳定(TMI)阈值[8-9]。因而,从光纤振荡器的发展可以看出,连续光纤振荡器的输出功率越来越高,在科研和工业领域都得到了广泛的关注,并且可能在今后的工业应用中大规模替代传统MOPA结构光纤放大器。

本文首先对高功率光纤振荡器在科研和工业领域的研究现状进行详细介绍,并将相关研究结果与MOPA结构光纤放大器的研究结果进行比较,指出光纤振荡器的潜在优势。然后,对高功率光纤振荡器未来发展趋势进行分析,重点指出实现更高功率、更高光束质量光纤振荡器对各个关键技术的发展需求。最后结合各项关键技术的分析,给出了万瓦级甚至更高功率近单模光纤振荡器的技术方案,以期为更高功率的光纤振荡器的发展提供思路。

2 高功率光纤振荡器的研究现状

2.1 科研领域光纤振荡器研究现状

表1给出了文献中公开报道的光纤振荡器的研究结果,表中φ为光纤纤芯直径,Aeff为光纤有效模场面积,M2为实际光束BPP与理想光束BPP之比,BPP为光束参数乘积,NA为数值孔径。早在2012年,美国Alfalight公司报道了输出功率为1 kW的全光纤振荡器。此后,光纤振荡器几乎每年上一个台阶,在最近两年,光纤振荡器的输出功率更是得到了极大提升。2019年,德国Laserline公司报道了输出功率为17.5 kW的空间结构多模光纤振荡器;2020年,日本藤仓公司报道了输出功率为8 kW的近单模全光纤振荡器。下面分别对空间结构和全光纤结构光纤振荡器的典型研究结果和现状进行介绍。

表 1. 高功率全光纤振荡器典型研究结果

Table 1. Typical research results of high power all-fiber laser oscillators

YearInstitutionTypeφ or AeffNAPower/kWBeam qualityReference
2012Alfalight, USAAll fiberφ=20 μm0.0651.0M2≈1.2Ref. [10]
2014Coherent, USASpatialAeff=800 μm20.0483.0M2<1.15Ref. [11]
2014NUDT, ChinaAll fiberφ=20 μm0.0651.5M2<1.2Ref. [12]
2015TJU, ChinaAll fiberφ=20 μm0.0651.6M2<1.1Ref. [13]
2015Fujikura, JapanAll fiberAeff=400 μm20.072.0M2=1.2Ref. [14]
2016NUDT, ChinaAll fiberφ=20 μm0.0652.5M2≈1.2Ref. [15]
2018TJU, ChinaAll fiberφ=20 μm0.0652.0M2≈1.5Ref. [16]
2017NUDT, ChinaAll fiberφ=20 μm0.0653M2≈1.3Ref. [17-18]
2017SUS Tech, ChinaAll fiberφ=20 μm0.0652M2<1.2Ref. [19]
2017Fujikura, JapanAll fiberAeff=400 μm20.073M2≈1.3Ref. [20]
2017NUDT, ChinaAll fiberφ=25 μm—4M2≈2.2Ref. [21]
2018NUDT, ChinaAll fiberφ=25 μm(GT Wave)—3.96M2≈2.0Ref. [22]
2018Fujikura, JapanAll fiberAeff=600 μm2—5M2≈1.3Ref. [4]
2018NUDT, ChinaAll fiberφ=25 μm0.0655.2M2≈1.7Ref. [3,23]
2019Universität Jena, GermanyAll fiberφ=20 μm0.064.8M2≈1.3Ref. [8]
2019NUDT, ChinaAll fiberAeff=600 μm2—6.06M2≈2.6Ref. [24]
2019Laserline GmbH, GermanySpatialφ=50--90 μm0.1117.5BPP: 8 mm·mradRef. [6]
2020Fraunhofer Institute for LT,GermanySpatialφ<100 μm—8.113—Ref. [25]
2020Universität Jena, GermanyAll fiberφ=20 μm0.075M2≈1.3Ref. [26]
2020Fujikura, JapanAll fiberAeff=600 μm2—8BPP: 0.5 mm·mradRef. [7]

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2.1.1 空间结构光纤振荡器典型结果

在光纤激光器发展的早期,由于全光纤泵浦合束器、光纤光栅等器件制作工艺不成熟,空间结构振荡器中只能利用空间镜片替代合束器、光纤光栅等器件。在空间结构振荡器中,通过透镜对泵浦光进行耦合,利用反射镜构建谐振腔,利用分色镜将泵浦光和激光分离。早在2004年,英国南安普顿大学Jeong等[27]采用双向泵浦的空间光路结构,在纤芯直径为43 μm、数值孔径为0.09的光纤中,获得了1.01 kW的激光输出。同年,他们优化增益光纤设计,将纤芯直径和数值孔径分别减少到40 μm和0.06,获得了1.36 kW近衍射极限(M2=1.4)的激光输出。2009年,英国南安普顿大学研究人员利用类似的空间结构方案,在纤芯直径为50 μm,NA为0.06的增益光纤中,实现了最大输出功率为2.1 kW的单模光纤激光输出,激光器光光效率为74%,光束质量因子M2=1.2。在之后的几年内,随着全光纤合束器及大模场光纤光栅等全光纤器件的逐步发展,空间结构全光纤振荡器的研究相对较少。直到2014年,美国Coherent公司等报道了输出功率为3 kW的空间结构单模光纤振荡器[11]。他们采用976 nm半导体激光器对光纤振荡器进行后向泵浦,在模场面积约为800 μm2、数值孔径为0.048的大模场光纤中,获得了输出功率为3 kW、光束质量因子为M2=1.15的激光输出。

一直以来,人们容易本能地认为空间结构光纤激光器稳定性较差,难以适合苛刻的工业环境应用要求,所以空间结构光纤振荡器并未受到广泛的关注。直到2019年,德国Laserline公司[6]报道了输出功率为17.5 kW的高功率振荡器,一定程度上改变了大家对空间结构光纤激光器的认识。17.5 kW光纤振荡器的实验结构如图1所示,图中HR、AR、PR为高反、增透、部分反射镜,实验中采用数值孔径为0.11、纤芯直径为50~90 μm的增益光纤作为增益介质,该增益光纤的内包层直径为1 mm、数值孔径为0.24。采用930~985 nm的光纤耦合半导体激光器(LD)对谐振腔进行双向泵浦,在泵浦功率为24 kW时,获得17.5 kW的功率输出,输出光束质量为8 mm·mrad,如图2所示。

图 1. 17.5 kW空间结构光纤振荡器实验结构[6]

Fig. 1. Experimental setup of the 17.5 kW laser oscillator with spatial configuration[6]

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图 2. 17.5 kW空间结构光纤振荡器输出功率与光束质量[6]。(a) 泵浦功率-输出功率曲线;(b) 光束质量测试结果

Fig. 2. Output power and beam quality of 17.5 kW laser oscillator with spatial configuration[6]. (a) Pump power versus output power; (b) beam quality measurement results

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Laserline公司研究人员还对单端泵浦情况下的10 kW激光器进行大于10 d(240 h)的稳定性拷机测试,在整个拷机过程中,激光输出功率波动小于1%,证明该空间结构激光器具有良好的稳定性。在该报道中,Laserline公司还指出,基于类似结构的6 kW激光器已经有成熟的商业产品,证明了空间结构激光器稳定性足以满足工业应用的要求。

2020年,德国Fraunhofer激光技术研究所和Laserline公司合作,利用刻写在增益光纤上的光纤光栅,搭建了输出功率为8 kW的空间结构光纤振荡器[25]。实验结构如图3所示,首先在增益光纤一端利用飞秒脉冲刻写光纤光栅,然后利用该增益光纤搭建光纤振荡器。在增益光纤的泵浦注入端,双色镜透过泵浦光的同时对激光进行高反射;该双色镜与增益光纤上刻写的光纤光栅构成激光器的谐振腔,在增益光纤的输出端切8°角以避免反馈光进入谐振腔。

图 3. 基于增益光纤刻写光纤光栅的空间结构光纤振荡器实验结构[25]

Fig. 3. Experiment setup of the spatial configured laser oscillator based on gain fiber with fiber grating[25]

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在光纤光栅最高温度为130 ℃时,实验得到了最高输出功率为8113 W的激光。实验中,研究了输出功率与中心波长、光谱宽度之间的关系,得到的结果如图4所示,在最高功率时,激光中心波长在1079.5 nm左右,光谱的3 dB带宽为0.67 nm[25]。

图 4. 基于增益光纤刻写光纤光栅的空间结构光纤振荡器实验结果[25]。(a) 不同功率时输出光谱;(b) 不同功率时的中心波长

Fig. 4. Experimental results of the spatial configured laser oscillator based on gain fiber with fiber grating[25]. (a) Spectra in different power; (b) center wavelength in different power

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2.1.2 全光纤结构光纤振荡器最新研究现状

一般认为,全光纤结构振荡器结构紧凑、稳定性好,在光纤光栅、高功率合束器等全光纤器件工艺进步的基础上,全光纤振荡器得到了快速的发展。2010年,芬兰CoreLase公司推出1 kW全光纤振荡器产品,之后一段时间,全光纤振荡器发展较为缓慢。直到2016年以后,国内外多家单位对全光纤振荡器开展了深入的研究,输出功率也迅速从2015年的2 kW提升到2020年的8 kW。这里主要介绍2020年以来最新的高功率全光纤振荡器实验报道。

2020年1月,本课题组报道了输出功率为6 kW的全光纤振荡器。实验结构如图5所示,高反射光栅(HRFBG)、低反射光栅(OCFBG)和掺镱光纤(YDF)构成激光谐振腔。光纤光栅中心波长为1080 nm,高反射和低反射光栅的反射率分别为99%和10%;双包层大模场增益光纤的模场面积为700 μm2。采用两个(6+1)×1合束器将6组900 W的915 nm泵浦光注入到增益光纤。在泵浦功率为9.2 kW时,振荡器输出功率为6.03 kW,光-光效率为65%,如图6 (a)所示。在最高输出功率时,激光器的3 dB带宽为4.3 nm,输出激光中无泵浦光和放大自发辐射(ASE),受激拉曼散射(SRS)峰值比信号光峰值低21 dB,如图6 (b)所示。在最高输出功率时,测得的光束质量因子M2约为2.6,典型的远场光斑形态如图6 (c)所示。

图 5. 6 kW全光纤振荡器实验结构[24]

Fig. 5. Experimental setup of 6 kW all-fiber laser oscillator[24]

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图 6. 6 kW全光纤振荡器实验结果[24]。(a)功率效率曲线;(b)输出光谱;(c)输出光斑特性

Fig. 6. Experimental results of 6 kW all-fiber laser oscillator[24]. (a) Power and efficiency curve; (b) output spectrum; (c) output beam profile

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2020年3月,德国耶拿大学在之前普通的5 kW光纤振荡器基础上[9],报道了基于飞秒激光器刻写高功率光纤光栅的5 kW全光纤振荡器[26],实验结构如图7(a)所示。首先,利用飞秒激光在Nufern 公司的纤芯直径和内包层直径分别为20 μm和400 μm(常用20/400 μm表示)的光纤上刻写高反射和低反射光纤光栅。高反射光纤光栅反射率为99.7%,3 dB谱宽为4 nm;低反射光纤光栅反射率为13%,3 dB谱宽为1.5 nm:如图7(b)所示。然后,基于该光栅搭建激光振荡器,将长度为20 m的增益光纤弯曲到直径为10 cm的光纤盘上,以抑制模式不稳定效应,采用前后向泵浦的(6+1)×1合束器将976 nm稳波长的泵浦光耦合到激光谐振腔中。在前向泵浦功率为2.5 kW、后向泵浦功率为3.7 kW时,最高输出功率为5 kW。在输出功率为4.8 kW时,测试得到光束质量M2为1.3,如图8(a)所示。不同功率时激光输出光谱如图8(b)所示,从结果可知,在功率为5 kW时,受激拉曼散射部分光谱积分功率占总功率的2%,功率的进一步提升受限于SRS。

图 7. 基于飞秒激光器刻写光栅的5 kW全光纤振荡器[26]。(a)实验结构;(b)光栅光谱特性

Fig. 7. 5 kW all-fiber laser oscillator based on fs laser written fiber grating[26]. (a) Experimental setup; (b) spectrum of the fiber gratings

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图 8. 基于飞秒激光器刻写光栅的5 kW全光纤振荡器实验结果[26]。(a)功率与光斑;(b)输出光谱

Fig. 8. Experimental results of 5 kW all-fiber laser oscillator based on fs laser written fiber grating[26]. (a) Power and beam profile; (b) output spectrum

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在2020年的西部光电子会议上,日本藤仓公司[7]报道了8 kW全光纤振荡器,实验结构如图9所示。该振荡器采用双端泵浦结构,利用多台功率为300 W、泵浦波长976 nm的LD对谐振腔进行泵浦。采用有效模场面积为600 μm2增益光纤,通过优化纤芯设计使得基模光束获得较高的增益,通过降低输出耦合光栅反射率来提升SRS的阈值。整个激光器中,光纤端帽的传能光纤长度为3 m,谐振腔高反射光栅到光纤端帽输出端总的光纤长度为32 m。

图 9. 8 kW全光纤振荡器实验结构[7]

Fig. 9. Experimental setup of the 8 kW all-fiber laser oscillator[7]

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在泵浦功率为10 kW时,获得输出功率为8 kW。在最高功率时,激光器输出光谱如图10(a)所示,激光器的中心波长为1070 nm的光谱中拉曼抑制比大于22 dB。激光器输出光束质量与光斑形态如图10(b)所示,光束质量为0.5 mm·mrad,对应的M2在1.5左右。

图 10. 8 kW全光纤振荡器实验结果[7]。(a)不同功率输出光谱特性;(b) 8 kW时光束质量特性

Fig. 10. Experimental results of the 8 kW all-fiber laser oscillator[7]. (a) Spectrum in different power; (b) beam quality in 8 kW

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2.2 工业领域光纤振荡器现状

由于光纤振荡器具有很好的抗反射能力,在工业领域得到了广泛的应用。表2给出了近年来国内外部分公司的高功率光纤振荡器产品[28]。早在2010年,芬兰CoreLase公司推出1 kW全光纤振荡器产品;2015年,该公司又推出了2 kW的光纤振荡器产品[29]。2015年,深圳创鑫激光股份有限公司(下文简称创鑫激光)与国防科技大学合作,在国内最早推出了1.5 kW的全光纤振荡器产品。2017年以后,美国Lumentum,国内光惠激光科技有限公司(下文简称GW激光)、北京热刺激光技术有限责任公司(下文简称热刺激光)、上海飞博激光科技有限公司(下文简称飞博激光)、湖南大科激光有限公司(下文简称大科激光)等公司都先后推出了各自高功率的光纤振荡器产品[30-37]。尤其是2019年以来,Lumentum、GW激光、热刺激光、飞博激光等公司都实现了输出功率大于4 kW的光纤振荡器。其中:GW激光、热刺激光的4 kW光纤振荡器为单模输出,具有很好的光束质量[35-36];飞博激光的4 kW光纤振荡器输出光斑为环形光斑,在特殊领域有很好的应用。

对比科研领域的研究发现,高功率光纤振荡器从科研领域到公司产品化,大约需1~2年。我们相信,随着光纤器件和工艺的进步,在2020年12月左右,5 kW的光纤振荡器也会从实验室走向市场。

表 2. 部分厂家光纤振荡器产品

Table 2. Typical products of high power all-fiber laser oscillator in some company

YearCompanyPump schemeφ /μmPower /kWBeam qualityReference
2010CoreLase, Finland976 nm LD pump201M2<1.6Ref. [29]
2015Maxphotonics, China——1.5M2<1.3Ref. [28]
2015CoreLase, Finland976 nm LD pump202M2<1.6Ref. [29]
2018GW laser, China976 nm LD pump203M2<1.3Ref. [36-37]
2018DK laser, China——3M2<1.3Ref. [33]
2018FeiBo laser, ChinaLD pump—3Ring laserRef. [32]
2019Lumentum, USA915 nm LD pump—4.2BPP: 1.5 mm·mradRef. [30]
2019GW laserLD pump—4Single modeRef. [36]
2019Reci laser, ChinaLD pump—4Single modeRef. [35]
2019FeiBo laser, ChinaLD pump—4Ring laserRef. [31]

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2.3 光纤振荡器与光纤放大器研究现状对比

在光纤激光器领域,基于MOPA结构的光纤放大器和基于单谐振腔结构的光纤振荡器是两种可行的方案。表3给出了光纤放大器的研究与产业现状,其中β定义为实际光束远场发散角与理想光束远场发散角之比。众所周知,早在2009年,美国IPG公司就实现了输出功率大于10 kW的单模光纤放大器。此后,在科研领域,全光纤放大器得到了蓬勃发展,国内外相关研究机构都先后实现了5~10 kW的光纤放大器。其中,国防科技大学、清华大学、中国工程物理研究院、中国科学院上海光学精密机械研究所等单位都在实验室获得了输出功率大于10 kW功率输出[38-40]。在国内的10 kW光纤放大器中,包括了三种技术方案:第一种是国防科技大学采用的级联泵浦双包层增益光纤的方案;第二种是中国工程物理研究院采用的LD泵浦复合增益光纤的方案[38];第三种是中国科学研究院上海光学精密机械研究所采用的LD泵浦双包层增益光纤的方案[40]。目前的光纤振荡器中,一般都是采用LD泵浦双包层增益光纤的方案。考虑到级联泵浦和泵浦复合增益光纤的潜在优势,光纤振荡器也可以采用级联泵浦和泵浦复合增益光纤来实现。

表 3. 光纤放大器研究与产业现状

Table 3. Research and industry status of high power all-fiber laser amplifiers

YearInstitutionPump schemeFiber typePowerBeam qualityReference
2009IPG photonics, USATandem pumpDCF10M2≈1.3Ref. [28]
2015NUDT, ChinaLD pump30/400 μm DCF4.1M2≈2.1Ref. [41]
2016Universität Jena, GermanyLD pump23/460 μm DCF4.3M2≈1.27Ref. [42]
2016Xi'an IOPM, ChinaLD pump30/600 μm DCF4.62M2≈1.67Ref. [43]
2016Huazhong UST, ChinaLD pump25/400 μm DCF3.5M2≈1.28Ref. [44]
2016NUDT, ChinaTandem pumpDCF10β≈1.886Ref. [45]
2016Tsinghua Unv., ChinaLD pumpDCF10—Ref. [46]
2016CEAP, ChinaLD pumpGT Wave5M2≈2.2Ref. [47]
2017TJU, ChinaLD pump30/600 μm DCF5.01M2<1.8Ref. [48]
2017CEAP, ChinaLD pump30 μm DCF6.03M2<2.38Ref. [49]
2018CEAP, ChinaLD pump30/520 μm PIFL10.45—Ref. [38]
2018CEAP, ChinaLD pump30/900 μm DCF10.6β<2Ref. [39]
2019SIOM, ChinaLD pump30/600 μm DCF10—Ref. [40]
2019Raycuslaser, ChinaLD pump—3—Ref. [34,50]
2019Scyglight, ChinaLD pump—3Single modeRef. [51]
2019JPT laser, ChinaLD pump—4Single modeRef. [34]
2019Maxphotonics, ChinaLD pump—5BPP: 1.8~3.0 mm·mardRef. [52]
2019Raypower Laser, China——5Single modeRef. [53]
2019DK laser, China——5M2≈1.8Ref. [33,54]
2020DK laser, China——6M2<2Ref. [55]

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表3同时给出了国内部分公司的光纤放大器产品情况。自2019年以来,武汉锐科光纤激光技术股份有限公司、创鑫激光等基于放大器方案,实现了单模块3~6 kW功率输出。其中,创鑫激光的光纤放大器为多模输出,其他公司以单模或近单模为主。对比科研报道的激光器与工业激光器产品可知,在光纤放大器中,从科研领域首先报道高功率输出至商业公司推出相应的商品,需要3年甚至更长的时间。这可能有两方面原因:一方面是由于知识产权的限制;另一方面是由于振荡器具有比放大器更好的抗回反光能力,在工业应用领域更受青睐。

对比表1~3可以得到以下结论。首先,从发展阶段来看,在光纤激光器发展的前期,光纤放大器发展速度远超光纤振荡器;早在2009年,光纤放大器就实现了10 kW功率输出;然而,在2018年以后,光纤振荡器输出功率才得到了较大的提升。其次,在输出功率方面,光纤振荡器与光纤放大器功率水平已经没有明显区别,尤其是藤仓公司8 kW单模光纤振荡器和Laserline公司的17.5 kW多模光纤振荡器的报道,使得光纤振荡器输出功率逐步追赶上了光纤放大器。再次,在工业化应用方面,由于抗回反光能力强、控制逻辑简单等优势,光纤振荡器比光纤放大器具有更好的工业应用前景,光纤振荡器从实验室走向产业市场的时间也短于光纤放大器所用的时间。

一直以来,光纤放大器被认为是获得高功率激光输出的有效技术途径。事实上,耶拿大学的论文中报道,在使用相同增益光纤搭建的光纤振荡器和光纤放大器的对比研究中,全光纤振荡器具有比光纤放大器更好的功率提升能力[8-9]。如图11所示,耶拿大学的实验表明,利用纤芯直径和内包层直径分别为20 μm和400 μm的增益光纤搭建的光纤激光器,其模式不稳定阈值小于振荡器的模式不稳定阈值。尽管这个结论不一定有普适性,但是可以看出,光纤振荡器的优势还是相当明显的,随着未来光纤振荡器高功率新型器件的研发和市场需求的推动,振荡器的输出功率很有可能超越光纤放大器的输出功率。

图 11. 光纤振荡器和放大器中时域归一化均方差与输出功率的关系[9]

Fig. 11. Relationship between output power and time domain normalized STD in fiber amplifier and fiber oscillator[9]

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3 高功率光纤振荡器的发展趋势与功率提升方法

3.1 光纤振荡器发展趋势

3.1.1 高功率输出是永恒的追求

在传统的科研、**和某些特定的工业应用领域,光纤激光器不仅要有较高的输出功率,还要有较好的光束质量。比如,湖南大科激光有限公司认为,采用高功率高光束质量的单模光纤激光器进行材料焊接,相比采用多模光纤激光器,具有更大的溶深、更平整细腻的焊缝、更致密的内部结构等[33]。因此,继续提升激光器的输出功率和光束质量,是光纤振荡器发展永恒不变的追求。

在一般工业应用领域中,多模高功率光纤振荡器也可以替代传统的基于多路单模激光功率合束的多模激光器,如深圳市创鑫激光的5 kW多模光纤激光器[52]、Laserline的17.5 kW多模光纤振荡器,他们不仅能够降低成本,还可以提高系统的稳定性。

3.1.2 功率提升与效率提升并重

在实际应用中,光纤振荡器的效率同样受到广泛的重视。由于掺镱光纤在915 nm附近的吸收波段较宽,激光输出功率不易受到工作环境温度变化的影响,因此,在较早的工业产品中,为了保证激光器的稳定性,一般采用915 nm波段的LD作为光纤激光器的泵浦源。但是由于LD的量子效率较低,基于915 nm泵浦源的掺镱光纤激光器的电光效率较低。为了降低运行成本,提高激光器的电光效率,最近几年工业领域逐步开始采用976 nm的LD作为泵浦源。分析认为,利用976 nm的LD作为泵浦源时,可以使用更短的光纤,激光器的电光效率可以提升至33.3%以上,因此比915 nm具有更低的运行成本[56]。典型的产品就是GW公司的3 kW光纤振荡器,他们采用976 nm非稳波长LD作为泵浦源,通过优化热管理设计,可以提高激光器的稳定性,使得激光器电光效率达到了42%[37]。但是,由于976 nm泵浦时增益光纤的单位长度热负荷比915 nm泵浦时增益光纤的单位长度热负荷高,976 nm泵浦光纤激光器的模式不稳定阈值比同等情况下915 nm泵浦光纤激光器的模式不稳定阈值低[57],因此,如果需要在保证激光效率的同时继续提升输出功率,还需要进一步优化激光器的泵浦波长。

3.1.3 面向实际应用的特种形态激光光斑

在传统的科研和工业领域,追求高亮度的单模激光输出是终极目标。但是,随着应用领域的扩展,尤其是对材料切割速度和光束质量要求的提高,非单模环形光斑等特种形态的激光得到了越来越广泛的应用。2018年之前,国外IPG、Coherent、NLIGHT等公司为了提升材料切割质量,采用多模块激光合束方式实现环形光斑输出[58-60],其中最为典型的产品是NLIGHT公司的Corona系列可变光斑的光纤激光器[59]。2018年前后,飞博激光基于光纤振荡器推出了3 kW的环形光斑激光器产品,该激光器的典型光斑形态如图12(a)所示[61]。该激光器在切割板材范围、速度和质量的效果基本与普通4 kW激光器的效果相同[61]。2019年,飞博激光又推出了基于光纤振荡器的4 kW环形光斑激光器产品。国防科技大学在多年的高功率振荡器的研制的基础上,在2019年也实现了输出功率大于5 kW的高功率环形激光器,在输出功率为5.08 kW时,典型输出光斑如图 12 (b)所示。

图 12. 基于光纤振荡器的环形光斑激光器光斑形态。(a)飞博激光,3 kW环形激光光斑形态[61];(b)国防科技大学,5 kW环形激光光斑形态

Fig. 12. Beam profile of ring laser employing fiber laser oscillator. (a) Beam profile of 3 kW ring laser from Shanghai FeiBo laser Technologies Co. Led.[61]; (b) beam profile of 5 kW ring laser from NUDT

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3.1.4 激光波段向短波和长波扩展

一般工业领域的光纤振荡器,输出波段在1060~1080 nm,随着非线性频率变换、级联泵浦等应用领域的发展,光纤振荡器输出波长同时向短波(<1040 nm)和长波(>1100 nm)发展[62-63]。以短波为例,2020年,美国IPG公司利用光纤振荡器在波长为1007,1010,1018,1030 nm上分别实现了0.75,0.90,1.33,1.40 kW的功率输出,输出激光光束质量都小于1.1,这是目前该波段最高功率的系列光纤振荡器。图13(a)给出了1007,1010,1018 nm不同波长短波激光器的输出功率曲线,可以看出,随着波长的增加,输出功率和斜率效率k也增加,图中L表示光纤长度。图13(b)给出了1018 nm激光器在不同功率水平的光谱曲线,结果表明,1018 nm在最高功率时,泵浦抑制比大于50 dB,拉曼抑制比大于40 dB。

图 13. 短波光纤激光器实验结果。(a)不同波长输出功率;(b) 1018 nm激光光谱

Fig. 13. Experiment results of fiber laser in short wavelength. (a) Output power of different wavelengths; (b) spectrum of 1018 nm laser

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3.2 光纤振荡器功率进一步提升的关键技术

当前,全光纤振荡器输出功率已经达到8 kW,但是由于受到受激拉曼散射、模式不稳定等效应的限制,光纤振荡器功率提升遭遇一定的技术瓶颈。为了进一步提升光纤振荡器输出功率,下面首先对未来可以提升光纤振荡器功率的关键技术进行分析,然后在此基础上给出10 kW级近单模全光纤振荡器的技术方案。

3.2.1 高效率、低损耗泵浦合束器是获得高功率高光束质量的前提

在光纤振荡器中,要获得足够高的输出功率,首先要能够注入足够高的泵浦功率。除了提高泵浦源的亮度外,研制高功率、高效率、低损耗的双向泵浦合束器是提升光纤振荡器输出功率的前提。

在端面泵浦合束器中,一方面要降低信号损耗,另一方面要增加泵浦注入功率。为了降低信号损耗,可以采用弱拉锥或纤芯不拉锥的工艺[64],确保在合束器制作过程中传输激光的信号光纤的纤芯直径沿长度方向不变。这样,在端面泵浦的双向合束器中,信号光束通过合束器时不存在模式劣化和模式损耗,在提高纤芯功率承受能力的同时,可以避免由于模式劣化导致的模式不稳定效应。为了增加泵浦注入功率,可以增大信号光纤的内包层直径,从而增加泵浦注入臂的数量。

另一种能够确保信号光不存在损耗的合束器是侧边泵浦合束器。侧边泵浦合束器是通过在泵浦光纤的内包层粘接泵浦臂而成的,制作过程不但不会损坏光纤纤芯,而且还省去了端泵合束器中传能光纤与合束器的熔接。但是,侧边粘接方式,使得在一个位置注入泵浦臂的数量有限,为了获得更多的泵浦注入臂和更高的功率泵浦能力,可以从以下两个方面着手:一是增加信号光纤的内包层直径,增大单个位置处泵浦注入臂纤芯直径;二是在信号光纤不同位置级联设置不同的泵浦注入光纤,以增加总的泵浦注入光纤数量。

目前,国内端面泵浦合束器的工艺比较成熟,一般的(6+1)×1合束器具备承受总泵浦功率为5 kW、信号功率为5 kW的能力。在确保亮度守恒的前提下,要进一步提升泵浦注入功率,需要通过增加合束器信号臂内包层来提升泵浦功率,比如采用包层为600 μm的信号光纤,可以研制出单臂最大承受功率为0.5 kW的(18+1)×1合束器。侧边泵浦合束器的工艺难度较大,对应的高功率商业产品很少。国防科技大学2019年研制了单臂注入1000 W的(2+1)×1侧边泵浦合束器,基于该合束器实现了输出功率为2 kW的光纤振荡器。考虑到侧边泵浦合束器不存在信号光损耗的天然优势,随着工艺的进步,侧边泵浦合束器未来有可能会成为高功率光纤振荡器合束器的重要选择。

3.2.2 高效率、低吸收的LD是提高激光器输出功率和效率的关键

采用976 nm的泵浦源替代915 nm的泵浦源可以提高光纤激光器的输出效率,但是如果要进一步提升激光器输出功率,976 nm泵浦源不一定是最佳选择。众所周知,在光纤振荡器中,影响激光输出功率最主要的因素是模式不稳定效应和受激拉曼散射效应。其中,模式不稳定效应与增益光纤内部的产热有关,在光纤内部,热源可以描述为[65]

Qr,z=N0r,zνp-νsνpσap-σep+σapnur,z,tPpr,zAp+αsrIsr,z,(1)

式中:Q为热量;N0为掺杂粒子浓度;νp和νs为泵浦光和信号光频率;σap和σep为泵浦光吸收截面和发射截面;nu为上能级粒子数比例;Pp(r,z)为泵浦光功率;Ap为传输泵浦光的内包层面积;αs(r)为信号光吸收损耗系数;Is(r,z)为信号光强。

考虑 νp-νsνp= λs-λpλs,σapλ= βpλN0k0Γp,热量为

Qr,z=λs-λpλsβpλk0Γp-σep+σapN2r,z,tPpr,zAp+αsrIsr,z,(2)

式中:λs和λp为泵浦光和信号光波长;βp(λ)为泵浦光的吸收系数;N2为上能级粒子数;k0为常数4.34;Γp为泵浦填充因子。

从(2)式可知,光纤振荡器中的热量不仅与量子亏损有关,还与泵浦光的吸收系数βp(λ)有关。为了降低热量,一方面可以提高量子效率,另一方面可以降低泵浦吸收系数。在光纤振荡器的实验中,915 nm泵浦的激光器比976 nm泵浦的激光器具有更高的模式不稳定阈值[57],这是由于增益光纤在915 nm处的吸收系数只有976 nm处吸收系数的1/3左右,因此,976 nm泵浦源并不是提高光纤振荡器输出功率的最优方案。为了同时提高光纤激光器的效率和功率,要综合考虑模式不稳定效应、受激拉曼散射效应,需要优选一个可以平衡模式不稳定效应和受激拉曼散射效应的泵浦源。本课题组通过探索研究,初步找到一类合适的泵浦源,能够在保证效率不变的情况下,将976 nm稳波长LD泵浦光纤振荡器的模式不稳定阈值提升至1倍左右,典型的实验结果如图14所示。在同一个基于国产增益光纤的振荡器中,使用976 nm稳波长LD泵浦时,模式不稳定阈值为730 W,如图14(a)所示;使用优化的泵浦源进行泵浦时,激光器的模式不稳定阈值为1500 W,如图14(b)所示。

图 14. 优化泵浦波长前后光纤激光器实验结果。(a) 976 nm波长泵浦时输出激光功率和效率;(b)优化泵浦波长泵浦时输出激光功率和效率

Fig. 14. Experiment results of fiber laser before and after optimizing of pump wavelength. (a) Output power and efficiency at 976 nm wavelength; (b) output power and efficiency at optimized pump wavelength

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3.2.3 新型增益光纤是平衡非线性和模式不稳定效应的有效技术手段

在影响光纤激光器输出功率和光束质量的诸多因素中,增益光纤是尤为关键的一个。增益光纤的模场面积,决定了支持模式的数量,影响模式不稳定的阈值,从而影响激光器输出功率和光束质量;增益光纤吸收系数,决定了激光器中使用增益光纤的长度,影响受激拉曼散射强度,从而影响激光器输出功率。为了平衡高功率光纤激光器中的非线性效应和模式不稳定阈值,国内外研究单位提出了多种体制的光纤,包括传统的低NA光纤、部分掺杂光纤、新型的3C光纤[66]、全固态光子带隙光纤[67]等。

低NA光纤可以在增加纤芯直径的同时保持近单模输出,耶拿大学的Beier等[68]利用低NA光纤,有效抑制了模式不稳定效应,实现了4.4 kW近单模光纤放大器。但是,过低的NA使其光纤损耗对弯曲过于敏感,降低损耗需要使用较大的缠绕半径,比如在耶拿大学的实验中,光纤弯曲直径达到了1.1 m,这在一定程度上抵消了光纤激光器结构紧凑的优点。因此,一般光纤的NA以不小于0.045为宜。部分掺杂光纤能够在一定程度上降低高阶模的增益、确保基模光束得到有效放大。华中科技大学利用掺杂直径为23 μm、纤芯高折射率直径为33 μm的部分掺杂光纤,将传统非部分掺杂光纤放大器的模式不稳定阈值提升到1.74倍[69]。3C光纤是近年来研发的一种新型光纤,2018年,nLIGHT公司的研究人员基于3C光纤实现了2.6 kW的窄线宽激光输出,实验表明,采用30 cm弯曲的3C光纤的模式不稳定阈值比使用弯曲直径为10 cm的20/400双包层光纤的模式不稳定阈值更高,同时,该光纤的SBS增益系数也明显低于普通双包层光纤,这说明该光纤可以较好地提升非线性和模式不稳定阈值。全固态光子带隙光纤可以通过结构设计实现不同的截止波长,故也被认为是一种可以有效提升受激拉曼散射阈值的光纤,日本藤仓公司指出,在后续大于8 kW的光纤振荡器中,他们可能会采用全固态光子带隙光纤作为增益光纤[7]。

除了上述增益光纤以外,本课题组[70-71]提出一种纤芯直径沿着光纤长度方向渐变的增益光纤,该类光纤用于光纤振荡器中时,能够较好地平衡非线性效应和模式不稳定效应。其中一类纤芯直径渐变的增益光纤如图15(a)、(b)所示,因纤芯直径两端小、中间大,称之为纺锤形增益光纤。图15(a)的光纤纤芯与包层比例沿光纤长度方向变化,在实际光纤拉制前需要对不同位置的预制棒进行打磨来控制纤芯直径;图15(b)的光纤纤芯与包层比例沿光纤长度方向不变,可以利用常规的预制棒,在光纤拉制过程中通过控制拉丝速度来实现不同的纤芯直径。利用该类光纤搭建光纤振荡器时,对于小芯径区域,通过设计为严格单模或少模光纤,结合弯曲选模的方式,可以有效保证激光的单模特性、提高模式不稳定阈值;对于大纤芯区域,通过提高有效模场面积,可以提高受激拉曼散射阈值。这样,可以有效平衡非线性效应和模式不稳定效应,在提高输出功率的同时,获得高光束质量的激光输出。

基于该思路,本课题组设计并联合国内合作单位研制了如图15(b)所示的纺锤形增益光纤。该光纤中间的大端纤芯直径为30 μm、长度为6 m,左右两个小段纤芯直径都为20 μm、长度都为3.5 m。利用该光纤,搭建了976 nm后向泵浦的光纤振荡器,获得了功率为1.836 kW、光光效率为83.5%的激光输出,如图16(a)所示。在不同功率下,激光器输出光束质量M2都在1.6左右,如图16(b)所示。实验初步验证了该类光纤在功率提升和光束质量保持方面的可行性。

图 15. 纺锤形增益光纤。(a)纤芯包层比变化;(b)纤芯包层比固定不变

Fig. 15. Spindly gain fiber. (a) With variable core-to-cladding diameter ratio; (b) with invariable core-to-cladding diameter ratio

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图 16. 基于纤芯包层比固定不变纺锤形光纤振荡器的实验结果。(a)输出功率和效率;(b)不同功率的光束质量

Fig. 16. Experimental results of laser oscillator employing spindly gain fiber laser with constant core-to-cladding diameter ratio. (a) Output power and efficiency; (b) beam quality in different power

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3.2.4 特种光纤光栅是获得可控光束质量的有效技术方法

在影响模式不稳定阈值的诸多方法中,降低高阶模反馈也是一种有效的方法。一般认为,普通光纤光栅中高阶模式和低阶模式的反射率不同,Mohammed等[72]报道的光栅中LP11模式的反射率比LP01模式的反射率低3 dB[72]。假设通过特种工艺刻写光纤光栅,使得光纤光栅对于基模高反射、对于高阶模高透射,那么,利用该光纤光栅搭建光纤振荡器时,可以通过谐振腔的反射特性优先支持基模起振来滤除高阶模式、提高模式不稳定阈值。此外,对于工业领域使用的环形光束等特种光束,可以通过在光纤包层刻写对LP11o和LP11e等高阶模式对应波段全反射的光栅,在纤芯中不刻写光纤光栅,来搭建光纤振荡器,提升输出功率。基于该思路,本课题组利用SeeFiberLaser光纤激光仿真软件[73]搭建光纤振荡器,设高反和低反光栅都仅支持LP11o和LP21e模式,仿真得出光纤振荡器的输出光斑如图17所示。仿真结果表明,如果利用仅支持单一高阶模式的光纤光栅,可以在光纤振荡器输出端获得所需要的模式输出。

图 17. 基于高阶模反射光纤光栅振荡器的输出激光光斑形态。(a)LP11o模;(b)LP21e模

Fig. 17. Output laser beam patterns of laser oscillator based on high-order mode reflected fiber grating. (a) LP11o mode;(b) LP21e mode

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3.2.5 10 kW级近单模高功率振荡器的技术方案

综上所述,从国内外知识产权和我国现有技术水平出发,本课题组给出一种较易实现的10 kW级高功率光纤振荡器的技术方案,如图18所示,即采用LD双端泵浦方案,增益光纤置于前后向泵浦信号合束器(PSC)之间,光纤光栅置于合束器的信号输入臂上。基于该方案,通过优化前后向泵浦功率比例可以提升受激拉曼散射和模式不稳定阈值。

图 18. 10 kW级高功率光纤振荡器技术方案

Fig. 18. Technical proposal of 10 kW level high power fiber laser oscillator

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在该方案中,研究的重点是使用特种新型器件来提高光纤振荡器的受激拉曼散射和模式不稳定阈值,主要包括:

1) 采用高亮度、增益光纤较低吸收波段的LD,在提高激光效率的同时提升光纤振荡器的模式不稳定阈值。

2) 采用对信号激光无模式劣化和模式损耗的端面泵浦或侧边泵浦合束器,在提升泵浦注入能力的同时提高光纤振荡器的模式不稳定阈值。

3) 采用低NA部分掺杂的纺锤形光纤(FYDF)或低NA部分掺杂且纤芯包层比较小的均匀光纤(SC2CR-YDF)。这两类光纤中,除了考虑纤芯直径、纤芯包层比以外,同时考虑低NA和部分掺杂设计。利用纺锤形增益光纤,可以均衡受激拉曼散射和模式不稳定,考虑低NA和部分掺杂设计,可以进一步提升模式不稳定的阈值;利用纤芯包层比较小的均匀光纤,可以通过降低泵浦吸收系数来提升激光器模式不稳定阈值,在此基础上同时考虑低NA和部分掺杂设计,同样可以进一步提升模式不稳定的阈值。

4) 采用锥形光纤制作光纤端帽[74],在提升受激拉曼散射阈值的同时保证激光的光束质量,避免了普通大模场均匀尺寸光纤难以兼顾非线性和光束质量的问题。

此外,在实际激光器的研发过程中,光纤光栅的纤芯需要与前后向合束器纤芯相匹配,如果工艺可行,可以采用对高阶模透射、对基模反射的光纤光栅。

综合上述器件的优势,可以从不同角度来抑制受激拉曼散射和模式不稳定效应,有望将近单模光纤振荡器输出功率提升至10 kW乃至以上量级。

4 结论

掺镱光纤振荡器是光纤激光器实现高功率输出的有效技术方案之一,近年来,国内外诸多研究机构开展了高功率光纤振荡器研究,并且使其在工业市场上得到了广泛的应用。目前,全光纤振荡器已经实现了8 kW近单模激光输出,空间结构振荡器已经实现了17.5 kW的多模激光输出。在工业领域,国内相关企业也已经推出了4 kW近单模光纤振荡器。与光纤放大器相比,光纤振荡器在特定的情况下具有更高的模式不稳定阈值,具备输出更高功率的潜力。随着应用领域的扩展,对光纤振荡器的需求将越来越多,对光纤振荡器输出功率、光束质量的要求也会越来越高。然而,基于传统技术方案的近单模光纤振荡器,在功率提升过程中遇到了较为显著的技术瓶颈。综合采用增益光纤较低吸收波段的特种波长LD、特种泵浦信号合束器、纤芯直径渐变的增益光纤、锥形光纤端帽等新器件和新技术,可以进一步提升非线性效应和模式不稳定效应的阈值,有望实现输出功率大于10 kW的近单模光纤振荡器。目前,国防科技大学已经初步掌握了大部分特种器件的工艺,在突破各个器件工艺的基础上,实现输出功率大于10 kW的近单模光纤振荡器指日可待。

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