周末敲黑板！国防科大周朴研究员科普光纤激光器发展历程

比如1994年，南安普顿大学课题组首次报道掺镱双包层光纤、与此前经常使用的掺钕光纤相比，激光效率大幅提高；

1999年，SDL公司在CLEO会议上报道首台百瓦级光纤激光器，进一步提升功率面临光纤尺寸较小带来的强非线性等问题。该文章在国内引起了较大反响，推动相关研究工作的后续启动；

2004年，南安普顿大学课题组基于大模场面积掺镱光纤首次实现千瓦级功率输出，进一步提升功率面临当时主流抽运源——半导体激光亮度不足等问题。紧接着，国内多家机构于2005、2006年也相继实现千瓦级功率输出；

2009年，IPG Photonics公司采用全新级联抽运技术（即光纤激光泵浦掺杂光纤），首次实现单模万瓦级功率输出；

2013年，IPG Photonics公司报道了10万瓦级多模光纤激光系统和2万瓦级单模光纤激光；

2018年，清华大学课题组报道了百毫焦级大能量脉冲光纤激光。同年日本Fujikura公司报道了5千瓦级光纤激光振荡器。

首先是“any power”。单束激光的输出功率提升过程会面临一系列限制因素，比如抽运亮度不足、多种非线性效应、模式不稳定效应，等等。除了开展关键技术攻关以攻破上述限制因素外，还有一种方法就是采用多束激光光束合成，其中单个激光的功率并不用很高。我认为这个“any power”很大程度上是基于光束合成的方法提出的。

2013年，IPG Photonics公司在Advanced Solid State Laser会议上介绍了100 kW光纤激光系统，这个系统是由90台千瓦级光纤激光组成的，当年第12期Laser Focus Word介绍了它的一些基本参数；2018年第19期的OL上发表了该系统用于加工的效果，可谓“削铁如泥”。这种光束合成具体是一种“功率合成”方法，激光功率提升的同时光束质量也退化了；还有一些光束合成方法，具有提升输出功率的同时保持光束质量的潜力，比如光谱合成和相干合成，这些方法分别在《激光与光电子学进展》2019年第4期和《中国激光》2017年第2期上有相关综述，具体原理就不介绍了。

Jena大学Limpert教授课题组近几年采用相干合成技术，实现了飞秒光纤激光系统输出功率的快速飞跃，2018和2019年先后实现了3.5 kW、5 kW级功率输出，今年年初Photonics West会议上报道了10 kW飞秒光纤激光系统（12束激光），在万瓦级输出功率时光束质量M2因子为1.2，这个结果是非常令人震惊的；法国巴黎综合理工学院也在这个会议上报道了60束激光相干合成的结果。上述研究表明，运用光束合成技术是光纤激光的发展趋势之一。

其次是“any wavelength”。从发表的文献聚类分析，光纤激光的输出波长大都集中在1 μm、1.5 μm、2 μm和3 μm波段，这其实是由掺杂光纤的有效增益谱段决定的。而在实际应用中，很多场景是波长敏感的，因此上述波段并不能覆盖所有应用需求。

为此，研究人员一方面不断运用新的稀土离子和多组分掺杂的方法扩大增益谱段；另一方面充分运用光纤中的非线性效应（比如受激拉曼散射效应），以实现其它波段的输出，比如采用常见的1070 nm波段光纤激光，通过级联拉曼效应，可以实现1240 nm等其他增益光纤难以实现的波段输出。

近年来，光纤激光在输出波长性能提升方面取得了显著成果。中国科学院上海光机所冯衍老师课题组通过“可调谐抽运源”和控制激发Stokes光阶数的方式，实现了单台激光输出波长从1 μm到近2 μm超宽范围调谐；厦门大学罗正钱老师课题组近期实现了可见光波段的输出。不断实现光纤激光输出波长的灵巧调控是光纤激光的另外一个发展趋势。

第三是“any mode of operation”。南安普顿大学和nLight公司通过特殊设计光纤，实现了基模、纯净高阶模和混合模可控输出，并且演示了在加工领域的应用效果，nLight公司还因此在PW 2019会议上获得了行业大奖。和前两个“any”相比，这个“any”研究的相对较少，主要是通过特殊分布折射率光纤、引入电子伺服系统实现的。这方面的研究可能会开辟一个新的领域。