在“十二五”863計劃新材料領域“先進激光材料及全固態激光技術”主題項目支持下，中國科學院上海光學精密機械研究所承擔的“千瓦級光纖材料及全光纖激光器”課題取得重大進展，在近期通過了課題技術驗收。

　　課題解決(jue) 了低光子暗化摻鐿光纖、高功率光纖光柵、高功率泵浦合束器的國產(chan) 化製備技術，開發出雙包層光纖、光纖光柵和泵浦合束器係列產(chan) 品或樣品，形成了一套擁有自主知識產(chan) 權的高功率光纖材料與(yu) 核心部件的製備工藝技術，所開發的摻鐿光纖與(yu) 核心部件應用在千瓦級光纖激光器產(chan) 品中。

　　掌握了千瓦級全光纖激光器的整機集成及規模化生產(chan) 的關(guan) 鍵技術和相關(guan) 工藝，實現了數百瓦到千瓦級單模全光纖激光器的批量化生產(chan) ，打破了國外壟斷。所開發的係列高功率全光纖激光器已在金屬薄板切割、焊接等領域獲得重要應用。

　　課題實施期間，成立了2家專(zhuan) 業(ye) 從(cong) 事高功率光纖激光器研發生產(chan) 的高科技公司，組建了專(zhuan) 業(ye) 化的生產(chan) 示範線，實現了數百瓦到千瓦級光纖激光器的產(chan) 業(ye) 化。2012年，形成了小規模生產(chan) 銷售能力。

　　作為(wei) 目前先進的工業(ye) 加工用高功率激光器，單模千瓦級以上全光纖激光器我國還大量依賴進口。高功率全光纖激光器與(yu) 智能機器手技術相結合，使得實現高功率激光加工（如焊接、切割、融覆、3D打印等）的柔性化和智能化成為(wei) 可能，是目前國內(nei) 外激光加工裝備的重要發展趨勢。作為(wei) 製造業(ye) 大國，我國對該類高效率全光纖激光器有較為(wei) 廣泛的應用需求，市場前景廣闊。

　　國內(nei) 外高功率光纖激光器研發曆程回顧

　　從(cong) 1960 年第一台激光器（美國Maiman 等首先用紅寶石晶體(ti) 獲得了激光輸出） 問世到現在近50 年過去了， 激光技術確如人們(men) 所期， 滲入了各行各業(ye) ：通信、生物技術、醫學、印刷、製造、軍(jun) 事、娛樂(le) 業(ye) 等。在某些領域，它已經成為(wei) 不可替代的核心技術。但是激光產(chan) 業(ye) 規模還不夠大，究其原因，不是人類不需要激光，而是傳(chuan) 統激光器不好用：成本高、效率低、故障多。光纖激光器的出現帶來了擴大激光產(chan) 業(ye) 規模的希望。光纖激光器激光光束質量好， 電-光轉換效率高，輸出功率大；所有的半導體(ti) 器件及光纖組件都可以融接成一體(ti) ，避免了元件的分立，可靠性得到極大提高。

　　1.國外高功率光纖激光器發展概況

　　光纖激光器的最早有關(guan) 研究可以追溯到20 世紀60 年代初期，當時激光器剛剛出現不久，人們(men) 對激光器的研究投入了極大熱情，積極研製開發各種新型激光器。1961 年，美國光學公司的E. Snitzer 等在光纖激光器領域進行了開創性的工作， 他們(men) 利用棒狀摻釹（Nd3+）玻璃波導獲得了波長1.06μm 的激光。

　　20 世紀70 年代，光纖通信的研究開始起步，新興(xing) 的光纖通信係統對新型光源的需求極大地刺激了激光器的研究工作。但由於(yu) 人們(men) 的注意力集中到迅猛發展的半導體(ti) 激光器技術上，以及光纖激光器自身的一些當時無法克服的困難，光纖激光器的研究逐漸沉寂下來。盡管如此，仍然取得了一些值得一提的成就。例如，1973 年，J. Stone 等成功地研製出能夠在室溫下連續工作的摻釹光纖激光器，他們(men) 采用的半導體(ti) 注入型激光器終端泵浦方式對以後實用型光纖激光器的研究具有重要的意義(yi) 。20 世紀80 年代， 英國Southampton 大學的S. B.Poole 等用MCVD 法成功地製備了低損耗的摻釹和摻鉺光纖，因為(wei) 摻鉺光纖光纖激光器的激射波長恰好位於(yu) 通信光纖的1.55μm 低損耗窗口， 人們(men) 開始認識到光纖放大器和光纖激光器在提高傳(chuan) 輸速率和延長傳(chuan) 輸距離等方麵無疑將給光纖通信帶來一場革命。摻鉺光纖放大器（EDFA）得到了迅速的發展並成為(wei) 一項成熟的應用技術。但是，光纖通信用的光纖激光器輸出功率一般都是毫瓦級，一直以來隻局限於(yu) 光通訊等領域；同時由於(yu) 巨大的行業(ye) 差距，幾乎無人把它與(yu) 激光加工等聯想到一起。然而，對於(yu) 大多數的激光應用領域，相比於(yu) 毫瓦級，我們(men) 更需要瓦級的光功率輸出。

　　1988 年Snitzer 等人提出了雙包層的泵浦技術，改變了人們(men) 對光纖激光器隻能產(chan) 生小功率輸出的看法，使得利用光纖激光器產(chan) 生大功率和高亮度的激光輸出成為(wei) 可能。

　　初期人們(men) 主要研究摻Nd3+包層泵浦光纖激光器，因其為(wei) 4 能級係統， 閾值功率低等優(you) 點。1992 年Minelly 等人報道了輸出功率大於(yu) 1W 的Nd 摻雜雙包層光纖激光器。1993 年，在包層泵浦摻Nd3+光纖激光器實驗中，H. Po 等得到了輸出功率5W、斜率效率51%的激光；1995 年，H. Zellmer 等報道了輸出波長為(wei) 1064nm、功率為(wei) 9.2W 的雙包層泵浦的摻Nd3+光纖激光器，斜率效率僅(jin) 為(wei) 25%，主要是因為(wei) 采用了圓形包層泵浦結構導致單模芯層對泵浦光的吸收不夠充分。

　　然而，由於(yu) Nd 的吸收帶非常窄，對泵浦源的波長穩定性和精度要求較高， 而Yb 則具有相當寬的吸收帶，可提供更高的轉換效率與(yu) 輸出功率，人們(men) 轉而重點關(guan) 注Yb 摻雜光纖激光器的研究。

　　1994 年，H.M．Pask 等率先在摻Yb 石英光纖中實現了包層泵浦，采用975nm 的泵浦光在波長1040nm處獲得了0.5W 的激光輸出，斜率效率達到了80%。l997 年，美國寶麗(li) 來公司的M．Muendel 等報道了l100nm、35.5W 的單模輸出連續激光的摻Yb 雙包層光纖激光器。

　　1998 年，Lucent 技術公司的Kosinki 等報道了一種內(nei) 包層截麵形狀為(wei) 星形的摻Yb 雙包層光纖激光器，得到了20W 的激光輸出。

　　1999 年SDL 公司的V. Dominic 等利用四個(ge) 45W的半導體(ti) 激光器從(cong) 兩(liang) 端泵浦， 研製成功110W 的單模連續激光輸出摻Yb 雙包層光纖激光器，光-光轉換效率58%。

　　2000 年，IPG 公司利用其發明的多光纖側(ce) 向耦合技術，率先實現百瓦級光纖激光器的全光纖化，為(wei) 其商業(ye) 應用奠定了堅實的基礎。

　　2002 年，德國的J.Limpert 等報告了雙摻雜的雙包層光纖激光器的結果。采用雙波長（808nm、975nm）的半導體(ti) 激光器泵浦45m 長的Nd/Yb 共摻的雙包層光纖，獲得150W 激光輸出。

　　2003 年，德國V.Reichel 等、IPG 公司、SPI 公司分別報道了200W、300W、610W 的單模激光輸出的摻鐿光纖激光器。

　　2004 年，SPI 研製成功1.36kW 連續光纖激光器。

　　2005 年，IPG 公司推出了2kW 單模光纖激光器。

　　2006 年，IPG 光纖激光器單模輸出功率最高可達3kW。

　　2009 年，IPG 在美國向客戶交付了它的第一個(ge) 5kW 單模光纖激光器。

　　多模激光輸出方麵：2002 年IPG 公司公布了2kW的摻Yb 雙包層光纖激光器。2004 年建成10kW 摻Yb 雙包層光纖激光器。2005 年，17kW 光纖激光器進入生產(chan) 線。目前輸出功率已經達到10 萬(wan) 瓦級。　2.國內(nei) 高功率光纖激光器發展概況

　　國內(nei) 關(guan) 於(yu) 雙包層光纖激光器的研究始於(yu) 20 世紀90 年代末。已有多家單位開展了雙包層光纖激光器的研究，如中科院上海光學精密機械研究所、南開大學、中國電子科技集團公司第十一研究所、中國兵器裝備研究院、北京光電技術研究所、烽火通信、清華大學、複旦大學等。#p#分頁標題#e#

　　1999 年， 南開大學與(yu) 電子部46 所合作研製出大數值孔徑的摻Yb 雙包層光纖， 並在雙包層光纖光柵等方麵進行了研究。

　　2000 年， 上海光機所報道了輸出功率為(wei) 3．84W，斜率效率為(wei) 55％的摻Yb 雙包層光纖激光器的實驗結果；南開大學采用國產(chan) 半導體(ti) 激光器分別泵浦電子部46 所、俄羅斯研製的雙包層光纖， 實現了大於(yu) 200mW 的的激光輸出。

　　2001 年，複旦大學研究了一種高效率可調諧摻鐿雙包層光纖激光器，最大輸出功率為(wei) 440mW，斜率效率約為(wei) 80%，輸出波長可在1070～1150nm 的範圍內(nei) 調諧。

　　2002 年， 南開大學報道了全光纖摻Yb 雙包層光纖激光器，輸出功率1.2W。

　　2003 年， 上海光機所分別報道了50W、115 W 的摻釔雙包層光纖激光器。

　　2004 年， 清華大學報道了雙端側(ce) 向泵浦摻Yb 雙包層光纖激光器，實現137W 的激光輸出；2004 年底，上海光機所與(yu) 烽火通信合作，采用摻鐿D 形雙包層光纖，獲得了444W 的激光輸出，轉換效率70％以上。

　　2005 年， 北京光電技術研究所研製成功30W 單模連續全光纖激光器。上海光機所研製出實用化20W光纖激光器。

　　2006 年，清華大學精密儀(yi) 器係光子與(yu) 電子學研究中心，采用烽火通信提供的新型摻Yb 雙包層光纖，當前向與(yu) 後向泵浦功率共計約1020W 時， 輸出功率達714W，光一光轉換效率達到70％。中國電子科技集團公司第十一研究所研製的大功率光纖激光器，當泵浦光功率為(wei) 1550W 時，光纖激光輸出功率為(wei) 1207W，斜率效率為(wei) 78.6％。中國兵器裝備研究院采用雙端泵浦、高效的偏振耦合等技術研製成功的單根光纖激光器輸出功率達到1049W， 光一光轉換效率大於(yu) 60％，電一光轉換效率大於(yu) 30％。

　　2007 年上海光機所單根光纖獲得了916W 的激光輸出。

　　包層泵浦光纖激光器在光纖通信、印刷、打標、材料加工、軍(jun) 事、醫療等領域有著廣闊的應用。例如：對於(yu) 目前在技術上已經成熟的百瓦量級以下的商用光纖激光器來說，其輸出為(wei) 單橫模，可廣泛應用於(yu) 精密激光打標、雕刻、非金屬的切割與(yu) 小型元件的焊接等領域中。對於(yu) 采用常規組束技術的上千瓦的高功率光纖激光器，很多特性也優(you) 於(yu) 同等功率水平的CO2或固體(ti) YAG 激光器，可用於(yu) 金屬加工等領域。

　　在Raman 放大器中有重要應用。光纖Raman 放大器需要較高的泵浦功率，多年來未能實現其實用化的主要困難就是沒有合適的泵浦源， 固體(ti) 激光器如Nd：YAG、Nd：YLF 等雖然有足夠功率，但係統複雜不適用於(yu) 光通信係統。包層泵浦光纖激光器可讓喇曼光纖放大器獲得合適波長的高功率泵浦源， 使Er 提供的80nm 帶寬可以開發利用，遠距離大容量的光通信成為(wei) 了現實。包層泵浦光纖激光器由於(yu) 結構緊湊、價(jia) 格相對低廉和無氣體(ti) 、染料、溶劑等而特別適用於(yu) 醫學應用。可用於(yu) 顯微外科手術、醫學診斷、藥檢、DNA 排序、細胞分類以及蛋白質分析等領域。

　　高功率光纖激光器的出現是激光發展史的一個(ge) 裏程碑，以其優(you) 越的性能和超值的價(jia) 格，可能很大程度上替代傳(chuan) 統的CO2和YAG 固體(ti) 激光器， 開辟一些新的激光應用領域，擴大激光產(chan) 業(ye) 的規模。