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铥激光器功率十年难破千瓦？一项创新设计带来性能纪录 | OE NEWS

光电汇OESHOW

2025-12-09

铥光纤激光器工作波长为 2 μm，在医疗、材料加工和国防领域具有重要应用价值。相较于更常见的 1 μm波长镱激光器，铥激光器的更长波长使得杂散光的破坏性更低。然而，尽管具备这一优势，十多年来铥激光器的输出功率始终停滞在 1 kW左右，这主要受制于非线性效应和热量累积问题。

突破这一瓶颈的一个颇具前景的途径是带内泵浦—— 将 793 nm的二极管泵浦切换为 1.9 μm的激光泵浦。这种方法能提高效率并减少热量产生，但也给光纤组件带来了新的挑战，尤其是包层光剥离器（CLS）。包层光剥离器的作用是去除在光纤外层包层中传输的无用光，否则这些杂光会降低光束质量并可能损坏组件。

对于带内泵浦铥激光器而言，包层光剥离器必须能够处理长波长下的高功率。传统的聚合物基CLS设计在此场景下失效：大多数聚合物在 2 μm波长处具有强吸收性，仅几瓦功率就会导致剧烈的局部发热和快速烧毁。蚀刻或激光加工光纤等替代方案虽能承受更高功率，却难以去除小角度光—— 这是泵浦激光器面临的关键问题。多材料包层光剥离器设计虽已出现（通过沿光纤排列折射率递增的多层结构来分散热量），但结构复杂且难以实现。

包层光剥离器技术为突破铥光纤激光器长期存在的 1 kW功率限制这一重大挑战提供了解决方案。自适应包层光剥离器设计可随着输入功率的增加（热成像图中从上至下）沿器件分散热量，且最高温度不会显著上升。通过沿光纤分散热量，该设计能防止器件损坏并实现创纪录的性能：在 2 μm波长下可剥离超过 20 W的信号光，在 793 nm波长下可剥离 675 W的光。（图片来源：德国耶拿弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所）

德国弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所（IFF，简称Fraunhofer IOF）的研究人员开发了一种更简便的解决方案：具有自适应特性的单材料包层光剥离器（CLS）。该材料的折射率初始值略高于玻璃，且由于其极强的负热光系数，折射率会随温度升高而降低。低功率下，包层光剥离器能高效剥离杂光；功率升高时，受热区域的剥离效率下降，剩余光线会传递至温度更低的区域。这使得热量沿光纤长度方向分散，而非集中在起始位置，从而避免了灾难性的过热问题。

该研究的第一作者Tilman Lühder表示：“对于中等功率下的快速实验室实验而言，这一技术是颠覆性的。”

经过仿真验证和实验测试，研究团队在直径为 125 μm和 400 μm的光纤上，针对所有相关铥激光器波长验证了这一概念。结果显示，该器件在 2 μm波长下可剥离超过20 W的信号光，在 793 nm波长下最高可剥离 675 W的光—— 研究人员称这一数据创下了单材料包层光剥离器设计的纪录。对光纤进行弯曲处理可进一步提升性能，剥离效率超过 40 分贝。尽管该设计最初针对铥激光器开发，但其具备可适配性：通过调整折射率，它可应用于其他激光器系统，包括铒激光器（1.5 μm）和镱激光器（1 μm）。

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