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高功率窄线宽激光器成新赛道，谁将率先入局抢跑？

光电汇OESHOW

2021-08-23

导读：高技术门槛，多种波长选择

文 / 高利润，上海飞博激光科技有限公司

东京奥运会已经落下帷幕。回顾整个赛程，从斩获首金的杨倩、绝地翻盘的谌利军，到一战封神的苏炳添、独孤求败的巩立姣，本届盛会为我们奉献了一个个难忘的瞬间。在以“更高、更快、更强”为代表的奥林匹克精神的激励下，一代又一代的运动员们不断突破自我，一次次超越生理和心里的极限。

图1 更高、更快、更强的奥林匹克精神

“更高、更快、更强”也是激光人的梦想

“更高、更快、更强”的奥林匹克精神不仅体现在运动场上，在激光器以及激光产业领域，人们也有着相同的追求。回顾激光器发展的历史，就是人们在不断追求更高（Higher）的输出功率和转化效率、更快（faster）的激光脉冲持续时间、更强（stronger）的脉冲能量及输出稳定性等性能的历史。

在过去十年间，中国的激光产业增加了近10倍，连年保持稳定高速增长。并且随着各大激光器厂家近年来的不断努力，尤其是在光纤激光器领域，国内已经完成了大部分中低功率激光器的国产化替代，高功率激光器的国产化替代也已经在进行中。

图2 高功率光纤激光器的发展历程

但是由于多数激光器被应用于传统的切割、打标等加工领域，总体上激光器厂家还是走追求规模效应的粗放式经营路线，缺乏技术创新以及应用增长点，加之不断有新的厂家在资本的支持下加入赛道，价格竞争成为一种必然。

随着《中国制造2025》的发布以及“十四五”将高端装备制造等列入战略性新兴产业发展规划，这一情况逐渐开始好转，激光器厂家开始将目光扩大到如激光清洗、激光焊接、激光熔覆、激光再制造等新的高附加值应用领域，试图开辟出新的产业竞争赛道。

具有高技术门槛的高功率窄线宽激光器，成竞争新赛道

高功率窄线宽光纤激光器也是一种新的尝试，它是一种特殊的高功率激光器，是一种通过对MOPA（主振荡功率放大技术）结构中的种子施加特殊处理而得到输出光谱宽度远小于常规高功率激光器的激光光源。广义的窄线宽激光器包括线宽为kHz量级的单频激光器和GHz量级的窄谱激光器，通常光谱宽度在0.1 nm以内的激光器都可以称为窄线宽激光器，这个光谱宽度是常规高功率激光器的几十至几百分之一。

由于其结构紧凑、噪声低、光束质量好、相干性好等优势，高功率窄线宽激光器在诸多应用领域都有着重要作用。

在频率变换中，高功率窄线宽光源是常见的非线性频率转换晶体的泵浦源，可以为激光加工提供更多的波长选择；

在光束合成中，为了克服单路激光的功率限制，使用高功率窄线宽激光进行多路合成是目前业界公认的达到更高输出功率的必行之路；

在相干探测领域，具备良好的时间相干性的单频激光被认为是引力波探测和激光雷达等应用的理想光源。

由于纤芯面积小，作用距离长，能量密度大，激光在光纤中传播时容易产生非线性光学效应，限制激光的功率提升和导致光束质量劣化。影响高功率窄线宽激光器的非线性作用主要有受激布里渊散射（SBS）、自相位调制（SPM）、四波混频（FWM）、热致模式不稳定（TMI）等，这也使得高功率窄线宽的研发难度远超过普通的光纤激光器。这涉及到种子光的处理、散热结构的优化、光路的合理设计、放大级的优化调整、窄线宽激光的探测表征等一系列科学和技术难题。

根据所采用的种子源类型，高功率窄线宽激光器的通常采用的技术路线主要有：窄线宽多纵模振荡种子源、放大自发辐射窄带滤波种子源、随机激光滤波种子源、单频激光相位调制种子源等。

因为其研制的技术门槛较高，目前国外成功报道了高功率窄线宽激光器研制成功的单位主要以科研机构和大型企业为主，如耶拿大学（Jena）、IPG、Nufern、康宁、美国空军实验室（AFRL）、MIT、诺斯罗普·格鲁曼、洛克希德·马丁等，国内主要有国防科技大学（NUDT）、中国工程物理研究院（CAEP）、中科院上海光机所（SIOM）、清华大学等。

国内品牌加入国际竞争，弥补国内空白

飞博激光作为国内知名的激光器生产厂家，一直秉承自主创新理念，坚持走技术差异化道路，先后推出了具有高度原创性的环形光斑激光器、牛眼光斑激光器等产品。通过不断的技术攻关，飞博激光成功研制了具备业界一流水平的高功率窄线宽激光器，不仅具有极窄的激光线宽、极高的稳定性，而且波长灵活可定制、输出功率高，弥补了国内市场在这一领域的技术空白。下图所示为窄线宽激光器主要研究成果汇总。

图3 国内外窄线宽研究单位及成果汇总

逆水行舟，不进则退。面对逐渐竞争白热化的激光器市场，国内的广大厂商一方面面临着不断升高的原材料价格，另一方面是竞争之下必然的价格战，还要面对不断恶化的国际环境带来的技术封锁。在这样一个机会与风险并存的时代，我们应该学习和发扬“更高、更快、更强”的奥林匹克精神，不断追赶、勇于突破。保持持续的研发投入，坚持走技术创新道路。努力开辟新的赛道，打破国外技术垄断，形成自己的错位优势，打造属于自己的技术护城河，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。

高利润，博士，上海飞博激光科技有限公司，光学工程师，从事窄线宽高功率光纤激光器的研发。