1.1 引言

更高的功率、更短的脈衝(chong) 、更強的亮度是激光器技術發展不變的追求。在脈衝(chong) 激光器工業(ye) 應用中，短脈衝(chong) 、高峰值對材料加工效果有重要影響。光纖激光器相比固體(ti) 激光器而言，在平均功率上更具優(you) 勢，在峰值功率上則受到明顯的限製。長期以來光纖脈衝(chong) 激光器的脈寬局限在ns以上，峰值15kW以內(nei) ，以100ns 1mJ為(wei) 標準。

光至科技自成立以來，以“光照萬(wan) 物，至誠致遠”為(wei) 發展願景和價(jia) 值理念，以創新創造價(jia) 值為(wei) 生存之本，專(zhuan) 注於(yu) 光纖脈衝(chong) 激光器的品質提升。光至科技自2019年推出GT係列MOPA脈衝(chong) 激光器以來，曆經多輪迭代，不斷完善，將激光器的峰值功率推升到150kW以上，脈衝(chong) 寬度延伸到200ps以下，高功率光束質量優(you) 化到1.4以內(nei) ，為(wei) 光纖MOPA脈衝(chong) 激光器開拓了無損標記、玻璃打孔、極片切割以及薄片金屬高強度焊接等的應用場景和極致的加工體(ti) 驗。

圖1 光至科技200W GT係列MOPA脈衝(chong) 激光器

2. 提高脈衝(chong) 峰值功率的方法

如圖2所示的激光脈衝(chong) 序列中，峰值功率等於(yu) 脈衝(chong) 能量除以脈衝(chong) 寬度，因此在同等能量條件下，縮短脈衝(chong) 寬度可以大大增加峰值功率，同等脈寬條件下，提高峰值則可以增加脈衝(chong) 能量。目前主流工業(ye) 市場上固體(ti) 脈衝(chong) 激光器中，納秒級脈寬的激光器能量可達mJ級，以1mJ能量10ns脈寬計算，峰值功率可達100kW。皮秒脈衝(chong) 激光器能量在300μJ左右，以10ps計算，峰值功率可達30MW。飛秒脈衝(chong) 激光器能量以100μJ，脈寬500fs計算，則峰值功率達到200MW。作為(wei) 比較，常規的MOPA納秒脈衝(chong) 激光器的峰值功率在10kW左右，遠低於(yu) 固體(ti) 激光器的指標。

圖2 脈衝(chong) 寬度與(yu) 峰值功率

3. 提高光纖脈衝(chong) 峰值功率的受限因素

圖3給出了大模場單芯光纖的輸出能力受限因素分解框圖。主要的受限因素包括5項：負載能力受限、B 積分受限、提取效率受限、光束質量受限以及偏振態受限。在圖3給出的各種物理機製的解決(jue) 方法分屬於(yu) 不同的設計層級，具體(ti) 包括：基質材料、增大模場、導模結構和偏振結構屬於(yu) 光纖設計層級，圖中以藍色框表示；端麵戴帽擴束、模式激發、模式濾波屬於(yu) 器件設計層級，圖中以橙色框表示；泵浦方式、隔離濾波和偏振控製屬於(yu) 單元設計的層級，圖中以綠色框表示；增大帶寬、脈寬選擇、重頻選擇和增益分配則屬於(yu) 係統設計層級，圖中以紫色框表示。除了上述5項之外，在連續高功率光纖激光器中需要考慮的熱效應並未在此列出，因為(wei) 我們(men) 追求的高峰值功率光纖放大器中，平均功率遠遠低於(yu) 熱效應能夠發揮顯著作用的範疇，在此不做討論。

圖3 脈衝(chong) 光纖激光器峰值功率受限因素分析

負載能力受限以激光強度度量，物理機製包括體(ti) 損傷(shang) 和麵損傷(shang) ，其中麵損傷(shang) 可以通過端麵戴帽技術予以避免，體(ti) 損傷(shang) 則受限於(yu) 光纖基質材料特性，為(wei) 極限受限因素。典型地，光強閾值約為(wei) 4.75kW/µm2，對 50µm 的模場直徑，對應的損傷(shang) 功率閾值達到 9.3MW，已經遠超過目前脈衝(chong) 光纖激光器芯內(nei) 峰值功率的水平，也高於(yu) 自聚焦閾值功率，因此，體(ti) 損傷(shang) 目前還不是需要考慮的問題。

提取效率主要受限於(yu) 自發輻射放大（ASE），受限於(yu) 多級放大器的增益分配，級內(nei) 則受限於(yu) 脈衝(chong) 的占空比。特別是在亞(ya) 納秒短脈衝(chong) 放大條件下，ASE直接限製了脈衝(chong) 能量的提升，也限製峰值功率的提升。不過ASE的限製可以通過合理設計多級放大器，優(you) 化級間增益分配和泵浦方式來抑製，另外還可以通過光譜濾波和聲光濾波的方式減少傳(chuan) 導到後級的ASE成分。合理的級間增益分配還有助於(yu) 抑製脈衝(chong) 增益飽和問題，獲得更加完美的脈衝(chong) 波形。

光束質量受限以光束質量因子 M² 度量，為(wei) 獲得基模輸出主要是要通過光波導導模結構設計以保證單模或者少模運轉，在此基礎上輔助以不同芯徑光纖熔接時模式激發控製以及光纖盤繞等模式濾波手段來改善光束質量。目前能夠保證高光束質量輸出的常規光纖就是30/250，光子晶體(ti) 等特殊光纖的纖芯可以擴大到100µm左右。這種模場尺寸相比工業(ye) 固體(ti) 激光器毫米級的光斑尺寸仍然太小，後麵提到的諸多非線性效應都跟B積分有關(guan) ，而B積分是反比於(yu) 模場麵積的。

偏振態受限以偏振度度量，物理機製主要是光纖波導的偏振特性。在普通的雙包層光纖中，線偏振光會(hui) 發生退偏，且退偏度對彎曲和環境參數敏感，難以保持穩定的偏振態輸出。同樣條件下，偏振光一般比非偏振光的峰值功率閾值低一半，因為(wei) 非偏振光可以分解為(wei) 兩(liang) 個(ge) 正交的非偏振光分量。

在脈衝(chong) 光纖激光器中，影響峰值功率最重要的因素是B積分，也就是光纖中的非線性相位偏移量，B積分的定義(yi) 如下：

可見，B積分正比於(yu) 功率隨光纖長度的積分，同時與(yu) 模場直徑和激光波長成反比。

光纖中的三階非線性效應可以分為(wei) 兩(liang) 大類：一類是光強誘導的折射率調製效應，包括自相位調製（SPM）、交叉相位調製（Cross-Phase Modulation:XPM）、調製不穩定性（Modulation Instability: MI）、四波混頻（Four-Wave Mixing:FWM）以及自聚焦（Self-Focusing: SF）等；另一類是非彈性光散射效應，涉及光子與(yu) 基質材料晶格振動之間的能量交換，包括受激布裏淵散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS）。這其中，最高的限製取決(jue) 於(yu) 自聚焦閾值，對光纖材料而言，這個(ge) 值大概在4MW的水平。在自聚焦閾值之下，受激拉曼散射是最重要的限製，因為(wei) 拉曼光相比基頻光的光譜頻移量高達60nm，拉曼成分過高會(hui) 嚴(yan) 重影響隔離器磁光晶體(ti) 的作用，也會(hui) 給鏡頭帶來很大的色差。圖4給出了光纖內(nei) 峰值功率超過自聚焦閾值時產(chan) 生的自聚焦成絲(si) 的演化過程。

圖4 功率為(wei) 2倍自聚焦閾值功率（8MW）下，在（圖a）80µm和（圖b）200µm芯徑光纖中LP₀₂ 模式的光強分布

4. 提高光纖脈衝(chong) 激光峰值功率的應用

在深刻理解脈衝(chong) 光纖激光器峰值功率提升受限物理限製的前提下，通過綜合優(you) 化光纖選型、放大器設計和關(guan) 鍵器件定製，光至科技推出了全係列GT高峰值功率脈衝(chong) MOPA激光器產(chan) 品，實現了從(cong) 200ps到50ns的短脈衝(chong) 高峰值放大，從(cong) 20W到200W平均功率全覆蓋，峰值功率包括GT30、GT60、GT100、GT150等多個(ge) 規格。

光至針對陽極鋁打黑推出的20W GMX，脈寬低至500ps，峰值約40kW,同等打黑效果下效率能較普通MOPA 20W提升1~3倍，極具性價(jia) 比。

圖5 200ps，速度從(cong) 1000mm/s增加至10000mm/s效果

圖6  不同脈寬下黑度值與(yu) 雕刻速度的關(guan) 係

針對玻璃打孔，光至推出的GT係列產(chan) 品，功率從(cong) 80W到200W，峰值100kW，可以實現多種玻璃70mm以內(nei) 的切孔，這突破了超短及綠光光源才能做的應用，將玻璃切割設備成本大幅度降低。

圖7 100W GT切割3mm玻璃70mm孔

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