光纖激光器具有光束質量好、結構緊湊及可柔性傳輸?shù)葍?yōu)點，近幾年得到了迅速發(fā)展，已在金屬切割、遠程焊接、三維切割、激光打標等工業(yè)領域得到了廣泛應用，目前已經(jīng)成為未來高功率激光發(fā)展的重要方向之一。隨著高功率、高亮度激光二極管（LD）和雙包層光纖制備工藝的迅速發(fā)展，光纖激光器輸出功率不斷提高，2009年，美國IPG Photonics公司采用同帶泵浦技術首次報道了10kW單模結果，并推出相關產(chǎn)品；2013年，該公司用半導體激光器進行端面泵浦，實現(xiàn)了20kW近單模（M2<2）激光輸出。國內方面，中國工程物理研究院、清華大學、國防科技大學基于同帶泵浦方案，相繼實現(xiàn)了20kW的高功率輸出，但是光束質量仍然與國外存在較大差距。

除增益光纖作為光纖激光器核心原材料外，光纖無源器件包括但不限于光纖光柵、包層光濾除器、光纖端帽、信號泵浦合束器和信號合束器的性能指標、研究進展也與光纖激光器的發(fā)展密切相關，國防科技大學高能激光研究團隊從事高功率光纖器件研究已有十幾年的歷程，研制的部分光纖器件性能指標已達到國際先進水平，并作為核心光纖無源器件應用于多項重大裝備和科研任務中。本文詳細介紹了部分高功率光纖無源器件的最新研究進展，并重點介紹了光纖器件的關鍵工藝流程、技術難點以及提出了對未來光纖器件發(fā)展的一些思考。

包層光濾除器

在光纖激光系統(tǒng)中，存在未被纖芯吸收的殘留泵浦光及由于光纖彎曲和熔接等因素導致泄漏到包層中的部分信號光，這部分光將在輸出無源光纖內包層中傳輸，如果和纖芯的信號激光一塊輸出，不僅會導致輸出激光的光束質量變差，還會增加激光輸出系統(tǒng)，如光纖端帽和輸出準直聚焦系統(tǒng)等受到損傷的風險，直接關系到激光器能否安全、穩(wěn)定地運行。而包層光濾除器能夠有效濾除這些多余包層光，保證高功率激光器的穩(wěn)定性與高光束質量，是光纖激光系統(tǒng)的關鍵元器件之一。

包層光濾除器是通過破壞光纖包層外邊界的全反射條件，使包層光通過折射、散射或吸收效應傳輸?shù)桨鼘油�，從而實現(xiàn)包層光的濾除。目前其制備的常用方法有表面涂覆法、表面腐蝕法等。表面涂覆法主要是通過在光纖外表面涂覆高折射率聚合物制備包層光濾除器，表面腐蝕法是通過腐蝕光纖包層表面使其粗糙從而破壞表面的全反射條件，使得包層光在該區(qū)域發(fā)生散射損耗，從而實現(xiàn)包層光的濾除。相比于表面涂覆法，表面腐蝕法是將包層光通過散射的方式濾除，在濾除高功率包層光時具有極大的優(yōu)勢。此外，表面腐蝕法還可以通過表面毛化逐漸變強的逐段腐蝕方式實現(xiàn)更高功率的包層光均勻濾除。然而在光纖激光的應用中，部分回返光也會反向進入到輸出光纖中并首先經(jīng)過包層光濾除器，如果返回的包層光首先進入到濾除器強的部分，將在濾除器尾端極短的區(qū)域產(chǎn)生劇烈的溫升。

為消除上述隱患，本文作者研究團隊設計了一種新的可實現(xiàn)雙向濾除的弱-強-弱的包層光濾除器制備方案，如圖1（a）所示，在雙包層光纖兩側毛化最弱區(qū)域各1cm，再進入到中等毛化區(qū)域兩側各3cm，最后在中間區(qū)域為最強毛化區(qū)域，長度為3cm。具體的制備方案為：將長度為1cm的紙板固定在夾具上，將腐蝕液滴涂在紙板上，將光纖腐蝕段#1在腐蝕液中腐蝕1min；將長度為3cm的紙板固定在夾具上，將腐蝕液滴涂在紙板上，將光纖腐蝕段#2在腐蝕液中腐蝕2min；將長度為3cm的紙板固定在夾具上，將腐蝕液滴涂在紙板上，將光纖腐蝕段#3在腐蝕液中腐蝕5min�；�于該方案制備的包層光濾除器（CPS）在無主動制冷的情況下進行測試，單獨分別正反向輸入功率為2051W時，CPS局部最高溫度為31.2℃，溫升速率為3.5℃/kW，濾除效率為20.1dB。對CPS進行雙向設計，可將光纖包層中的回光均勻濾除，進一步提高光纖激光器系統(tǒng)的安全性與可靠性。

光纖端帽

光纖端帽是針對高功率光纖激光器和放大器輸出端面處理設計的高功率器件，通過對輸出光纖的擴束降低輸出端的光功率密度，保護光纖端面不受損壞，同時在玻璃錐棒輸出面進行增透膜處理，避免回光對激光器或者放大器產(chǎn)生影響，最終實現(xiàn)大功率光纖激光的安全輸出。光纖端帽是在石英光纖輸出端熔接一段玻璃棒，通過擴大光場分布面積降低輸出端面功率密度，同時玻璃棒輸出端面鍍增透膜提高激光透過率來解決輸出端極易損傷的問題。國防科技大學高能激光研究團隊在2014年設計搭建了端帽熔接系統(tǒng)，當時加熱源為氫氧焰，設計了自動對準熔接系統(tǒng)，可實現(xiàn)不同形狀端帽與光纖的熔接（圖2）�；�于此系統(tǒng)在2015年實現(xiàn)了3kW單模光纖端帽、6kW多模光纖端帽的研制。在后期的研究中進一步提高了光纖端帽制備的關鍵工藝，主要包括：光纖與端帽的精密對準、光纖與端帽的低損耗高強度熔接、光纖端帽的封裝等關鍵技術�；�于掌握的關鍵技術結合特殊設計的光纖端帽，目前制作的端帽可承載數(shù)萬瓦的光纖激光輸出，并成功應用于30kW高功率光纖激光系統(tǒng)中（圖2）。

信號泵浦合束器

信號泵浦合束器可分為正向和后向兩種結構，因為正向結構信號泵浦合束器相對簡單，本文不做贅述。而基于后向信號泵浦合束器實現(xiàn)的后向泵浦能夠有效提高非線性效應和模式不穩(wěn)定的閾值，可以實現(xiàn)更高輸出功率而備受關注。后向信號泵浦合束器的作用是將多路泵浦光高效耦合進入雙包層光纖的包層中，同時實現(xiàn)輸入信號光纖的激光進入到輸出光纖后經(jīng)包層光濾除器和光纖端帽輸出，因此輸入輸出信號光纖的熔接損耗和光束質量劣變是考量合束器的兩個重要光學性能指標。目前主流的信號泵浦合束器按照制備方法可分為基于拉錐熔合法制備的側面信號泵浦合束器及基于熔融拉錐光纖組束（TFB）法制備的端面信號泵浦合束器，本節(jié)對這兩種信號泵浦合束器的研究進展分別進行介紹。

側面信號泵浦合束器：側面泵浦耦合技術是指將泵浦光直接從側面耦合進入信號光纖的內包層，不需要對信號光纖進行如拉錐、腐蝕以及熔接等操作，在很大程度上能夠保證信號光纖在制作過程中的“完整性”，從而保持系統(tǒng)的光束質量以及減小插入損耗。除此之外，由于側面泵浦技術不需要占用信號光纖的兩端，理論上來說可以通過多點泵浦注入的方式實現(xiàn)分布式泵浦結構，從而提高系統(tǒng)的泵浦能力以及實現(xiàn)增益均勻化，減弱熱效應帶來的影響。

表1系統(tǒng)地總結了近年來基于拉錐熔合法制備的側面泵浦合束器在光纖激光器中的性能表現(xiàn)。從表中可以看出，隨著合束器制作工藝的不斷完善，其可承受的功率以及激光器總體輸出功率在不斷提升�；�于拉錐熔合法制備的側面泵浦合束器作為光纖激光器的一個關鍵器件，能夠有效保證信號光傳輸?shù)馁|量，為實現(xiàn)高功率、高光束質量、穩(wěn)定可靠的激光器系統(tǒng)提供了一個有效的技術方案。

由于側面信號泵浦合束器中信號光纖具備完整性，如圖3所示的多點分布式側面泵浦是拓展系統(tǒng)泵浦能力的一種潛在手段。然而，國防科技大學高能激光研究團隊在對串聯(lián)泵浦的側面泵浦合束器進行理論和實驗研究時發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)泵浦結構會使后級合束器內傳輸?shù)谋闷止獍l(fā)散角度明顯增大，當其發(fā)散角超過雙包層泵浦光纖的全反射條件限制時，泵浦光會從信號光纖涂覆層臺階處泄漏，造成嚴重的溫升，損壞合束器和激光器系統(tǒng)。因此，對于串聯(lián)結構的側面泵浦合束器還需要進一步的優(yōu)化來提升系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。其中一種優(yōu)化方式就是直接在摻雜增益光纖上制作串聯(lián)泵浦的側面泵浦合束器，這種方法的優(yōu)點在于耦合進入信號光纖中大角度的泵浦光能夠快速地被增益光纖中的摻雜離子所吸收，進而轉換成在纖芯內傳輸?shù)男盘柟�，不會再對下一級合束器帶來額外熱負擔，能夠有效地提升系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。這也是未來側面信號泵浦合束器一個重要的發(fā)展方向。

除了分布式串聯(lián)泵浦，通過提高泵浦源的亮度，使用級聯(lián)同帶泵浦的方案也是拓展系統(tǒng)輸出功率的有效手段。相比于傳統(tǒng)的半導體激光器，用于同帶泵浦的1018nm光纖激光器的亮度要高2~3個數(shù)量級，大大增加了系統(tǒng)的整體泵浦能力。但是國防科技大學高能激光研究團隊通過理論仿真和實驗測試發(fā)現(xiàn)，側面泵浦合束器的泵浦光通過率受入射泵浦光源亮度的影響很大，相同制作參數(shù)的合束器在使用不同亮度的泵。通過改變泵浦臂在信號浦源時表現(xiàn)可能完全不同臂上的貼合位置，能夠提升側面泵浦合束器在高亮度光纖激光器級聯(lián)泵浦條件下的泵浦耦合效率以及信號光通過率，優(yōu)化后的合束器單臂在通過2737W的泵浦功率測試時，耦合效率大于99%，溫升系數(shù)僅為6.5℃/kW，為實現(xiàn)高功率同帶側面泵浦放大器打下了堅實的基礎。

基于拉錐熔合法制備的側面信號泵浦合束器的優(yōu)點在于信號光傳輸質量較好、后向隔離度高。但是目前市場上常見的側面泵浦合束器均為（2+1）×1型，即每個合束器泵浦臂的個數(shù)僅為2個，雖然說側面泵浦合束器的泵浦點個數(shù)具有一定的拓展性，但是在具體應用中還是存在制作難度大、泵浦耦合效率低等困難，無法顯著提高系統(tǒng)的泵浦能力。

端面信號泵浦合束器：相比于目前市場上常見的（2+1）×1型號的側面信號泵浦合束器，端面信號泵浦合束器擁有更多的泵浦臂，在泵浦能力上更加突出。但是由于在反向端面信號泵浦合束器的制作過程中，需要對信號光纖進行腐蝕、拉錐、切割、熔接等一系列復雜操作，容易引入信號光的熔接損耗和光束質量劣變，這也是目前端面信號泵浦合束器的制作難點所在。

目前，全光纖結構端面信號泵浦合束器主要是通過TFB技術來實現(xiàn)的，它是指將多根光纖排列在一起，在高溫下通過熔融拉錐產(chǎn)生錐形過渡區(qū)、錐腰區(qū)，其中錐腰區(qū)直徑需要與輸出光纖尺寸相匹配，然后在錐腰區(qū)的合適位置切斷，并與輸出光纖進行熔接。典型的TFB合束器的結構如圖4所示。這種方法工藝成熟、泵浦光通過率較高、便于封裝，在光纖激光器中得到廣泛應用。表2給出了近年來報道的全光纖端面泵浦/信號合束器的結構、主要性能指標及制作方法。從表中可以看到，隨著制作工藝的不斷完善，基于TFB方法制作的端面信號泵浦合束器的承載功率逐步提升，已經(jīng)達到了數(shù)千瓦的量級。而對于端面信號泵浦合束器內信號光傳輸質量的保持，研究者們也嘗試了一系列方法，比如說使用過渡光纖、采用模場適配器，以及加熱擴芯的方式等等，這些手段確實在一定程度上減小了信號光在傳輸過程中的光束質量劣變比例。

2015年，國防科技大學報道了借助加熱擴芯技術來減小信號插損的一種端面信號泵浦合束器。實驗中用到的泵浦光纖為六根尺寸為105/125μm的光纖，輸入信號光纖為單模SMF28光纖，輸出光纖尺寸為25/250μm。合束器的泵浦耦合效率大于96%，但由于合束器輸入輸出信號光纖纖芯尺寸差別巨大，其信號通過率只有51%。為了提高合束器信號光通過率，研究人員使用氫氧焰對信號纖加熱30min，使SMF28光纖纖芯明顯擴大，然后再進行相應的組束拉錐過程，如圖5（a）和5（b）所示，擴芯后合束器的信號通過率上升到94%，為后續(xù)輸入輸出光纖纖芯尺寸不同的端面泵浦/信號合束器的制作提供了一個有效解決方案。

2019年，國防科技大學課題組利用多個模場適配結構，實現(xiàn)了從10μm輸入纖芯到50μm輸出纖芯傳輸?shù)男盘柋闷趾鲜�器制備，其具體結構如圖6所示。合束器的泵浦光纖尺寸為105/125μm，輸入信號光纖尺寸為30/125μm，而輸出光纖尺寸為50/400μm，因此需要在熔接前將輸出光纖拉錐到特定尺寸使其與合束器的輸入光纖纖芯匹配。此外由于放大器的種子輸出光纖尺寸為10/125μm，需要將合束器的輸入信號光纖拉錐，使其纖芯和放大器種子輸出光纖匹配，通過兩個內建的模場適配器，實現(xiàn)了種子功率放大的同時保持了系統(tǒng)良好的光束質量，最終通過1018nm激光級聯(lián)泵浦的結構，在3000W注入功率的情況下輸出2340W的信號功率，M2為2.83。

2022年，國防科技大學高能激光研究團隊使用腐蝕-穿管法來進一步提升端面信號泵浦合束器的性能參數(shù)指標。如圖7所示，在合束器具體制備過程中，首先將六根泵浦光纖與外部玻璃管共同拉錐，形成如圖7（a）所示的帶有中間孔隙的光纖束，然后根據(jù)中間孔隙的大小對信號光纖進行腐蝕。將腐蝕好的信號光纖穿入光纖束中，隨后放電加熱，使信號光纖與周圍的泵浦光纖熔合在一起便于切割。由于整個過程中沒有對信號光纖進行任何的拉錐操作，有效保持了信號光的光束質量。

利用腐蝕-穿管法，國防科技大學高能激光研究團隊高質量地實現(xiàn)了對（6+1）×1后向端面信號泵浦合束器的制備，其中泵浦光和信號光的通過效率均超過98%，對于25/400μm尺寸的信號光纖，合束器中信號光的M2退化比例為2.2%，而對于50/400μm大芯徑尺寸的信號光纖，合束器中信號光的M2退化比也僅為5.1%，均為已有報道的最小值。此外，該團隊還利用自研的信號泵浦合束器分別搭建了4kWLD后向泵浦放大器以及20kW同帶后向泵浦放大器，在高功率激光器系統(tǒng)中驗證了合束器的良好性能。

隨著信號泵浦合束器制作工藝的改善，基于TFB技術的端面信號泵浦合束器的承載功率正在逐年提升，信號光光束質量的保持性也越來越好。下一步可以考慮適當增加泵浦臂數(shù)目，以腐蝕-穿管法制備（9+1）×1、（18+1）×1、（36+1）×1等型號的合束器，拓展泵浦能力。

信號功率合束器

光纖功率合束器可將多個中等功率的光纖激光進行功率合成，以獲得更高功率的光纖激光輸出，同時具有結構緊湊、可靠性高、成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，是實現(xiàn)高功率光纖激光輸出的核心元器件之一。從光纖功率合束器的發(fā)展歷程來看，其制作方法主要分為兩大類：扭轉法和套管法。早期的光纖功率合束器制作主要是基于扭轉法來實現(xiàn)的，但報道的輸出功率都不太高。近些年來，光纖功率合束器普遍采用套管法結合低折射率玻璃管的制作方法。光纖功率合束器的制作流程主要有四個步驟：多根光纖的組束熔融拉錐、組束拉錐光纖的切割、與輸出光纖的熔接，以及合束器的封裝。要完成一個可承載高功率的高效率光纖功率合束器，每一個步驟都非常關鍵，其中關鍵的工藝有：高纖芯占空比的多根光纖的緊密排布；組束光纖的超低損耗、任意直徑拉錐技術；組束拉錐切割后光纖束與輸出光纖的低損耗熔接技術；輸出光纖的包層光高效濾除技術；實現(xiàn)高效制冷封裝合束器的技術等。

目前文獻報道的工業(yè)用高功率光纖激光系統(tǒng)，均是利用信號功率合束器合束實現(xiàn)的，信號功率合束器結構參數(shù)的設計以及制備工藝的優(yōu)化對于合束系統(tǒng)至關重要。美國IPG Photonics公司早在2016年就已經(jīng)推出了工業(yè)用的120kW多模光纖激光系統(tǒng)，先經(jīng)19×1的信號合束器將19臺單模塊激光器耦合進入100μm纖芯的輸出光纖后，再經(jīng)7×1的信號合束器進行二級合束，最終輸出光纖的纖芯直徑為300μm，光束質量M2約為40。2022年，國內武漢銳科激光有限公司和南華大學聯(lián)合推出了國產(chǎn)100kW高功率光纖激光系統(tǒng)，先經(jīng)7×1的信號合束器合束進入到100μm纖芯后，再經(jīng)7×1的信號合束器進行二級合束，最終輸出光纖的纖芯直徑為400μm，光束質量M2為56。在工業(yè)加工領域，對功率的關注度要高于光束質量。然而國防科技大學高能激光研究團隊重點關注合成后的光束質量指標，為了提升合束激光的光束質量，主要通過降低輸出光纖的纖芯直徑和數(shù)值孔徑來實現(xiàn)，其中纖芯直徑選擇為50μm，數(shù)值孔徑主要有以下兩種：

1）數(shù)值孔徑為0.22的50/70/360μm的三包層。光纖2018年，基于自研的7×1信號功率合束器和7臺2kW、輸出光纖尺寸為20/400μm的激光器實現(xiàn)了14kW的光纖激光合成，光束質量為5.37，這也是50μm芯徑首次實現(xiàn)大于10kW的合成激光輸出（圖8）。2019年，基于3×1的合束器和3臺4.5kW、輸出光纖尺寸為30/250μm的激光器實現(xiàn)了大于13kW的光纖激光輸出，由于單元模塊的光束質量較差，M2約為2，合成后的光束質量也相對較差，M2約為6，但這是50μm芯徑實現(xiàn)的單臂最高功率的激光合成。

1）數(shù)值孔徑為0.12的50/400μm的雙包層光纖。為了進一步提高合束激光的光束質量，經(jīng)過優(yōu)化關鍵制備工藝，實現(xiàn)了將數(shù)值孔徑由原來的0.22變?yōu)?.12的信號功率合束器的制作。2019年，基于自研的3×1光纖合束器和3臺2kW、輸出光纖尺寸為20/400μm的光纖激光器實現(xiàn)了6kW的高光束質量光纖激光合成，光束質量M2約為3.5。2021年，基于自研的4×1光纖合束器和4臺3kW、輸出光纖尺寸為20/400μm的光纖激光器實現(xiàn)了12kW的高光束質量光纖激光合成，光束質量M2小于4，這是國際首次報道的合成激光大于10kW的最優(yōu)光束質量。2022年，又基于自研的7×1光纖合束器和7臺3kW、輸出光纖尺寸為20/400μm的光纖激光器實現(xiàn)了20kW的高光束質量光纖激光合成，光束質量M2小于4.5，這是目前報道的50μm纖芯尺寸中合成激光的最高功率。

隨著合成激光的光束質量和功率的進一步提升，激光在輸出光纖傳輸時的拉曼效應將越來越嚴重，導致輸出光纖越來越熱，如何實現(xiàn)高效制冷和拉曼抑制將是合束激光功率進一步提升的關鍵所在。

轉自：光纖激光

來源：國防科技大學

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