高功率光纖激光技術(shù)在21世紀(jì)以來取得了飛速發(fā)展，成為激光與光電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點和行業(yè)應(yīng)用的前沿。本文將深入探討高功率光纖激光的現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢。

    高功率光纖激光的現(xiàn)狀
    功率指標(biāo)的“滯漲”現(xiàn)象
    從功率指標(biāo)來看，部分高功率光纖激光數(shù)據(jù)似乎出現(xiàn)了一定程度的“滯漲”。例如，1萬瓦級單模摻鐿光纖激光在2009年就已實現(xiàn)，1千瓦級摻銩光纖激光在2010年實現(xiàn)，300瓦級鉺鐿共摻光纖激光在2007年實現(xiàn)，2018年實現(xiàn)了600瓦級多模激光。這些數(shù)據(jù)表明，單純從功率指標(biāo)上看，技術(shù)水平提升并不明顯。

    不同視角下的發(fā)展
    1.線寬視角：按照輸出線寬分類，高功率光纖激光可分為單頻激光、窄線寬激光、常規(guī)線寬激光、寬譜激光和超寬譜激光等五種類型。與10年前相比，單頻光纖激光從300瓦級提升至1千瓦級，窄線寬光纖激光從2千瓦級提升至7千瓦級，寬譜激光從千瓦級提升至6千瓦級，超寬譜激光從400瓦級提升至1千瓦級，呈現(xiàn)出對稱性發(fā)展。
    2.偏振角度：2017年，作者所在課題組對不同類型的線偏振光纖激光最高輸出功率進行初步統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)很多類型的線偏振激光與對應(yīng)的隨機偏振激光的最高輸出功率比值約為1:2或者1:3。當(dāng)前，除常規(guī)線寬激光類型外，其余類型的線偏振激光與隨機偏振激光最高輸出功率基本一致，表明線偏振高功率激光取得了高速發(fā)展。
    3.功率定標(biāo)放大潛力：科研人員通過摻鐿光纖、多組分光纖、摻磷光纖等技術(shù)，將量子虧損降低至1%左右，輸出功率從毫瓦級提升至千瓦級，為提升單束激光的輸出功率提供了新思路。

    高功率光纖激光的發(fā)展趨勢
    科學(xué)邊界的探索
    1.極限波長：在摻雜光纖的發(fā)射譜范圍內(nèi)實現(xiàn)高功率激光輸出是典型場景，但在“非舒適區(qū)”實現(xiàn)高功率輸出是研究人員追求的目標(biāo)。例如，IPGPhotonics公司2020年報道在1007nm、1010nm和1018nm中心波長分別實現(xiàn)0.75kW、0.90kW、1.33kW全光纖結(jié)構(gòu)單模高功率輸出。
    2.極短脈沖：科研人員在不斷探索高功率超短脈沖的脈寬極限。例如，MaxBorn研究所等單位聯(lián)合課題組2019年報道實現(xiàn)10fs級脈寬、300W級高平均功率光纖激光輸出。

    關(guān)鍵技術(shù)的突破
    1.極長傳輸：受非線性效應(yīng)等因素影響，高功率光纖激光的傳輸難度較大。近年來，研究人員在微結(jié)構(gòu)光纖等關(guān)鍵技術(shù)上取得重要突破，實現(xiàn)基于反諧振光纖的千瓦單模激光千米傳輸?shù)却硇越Y(jié)果，為長距離能量輸運等奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
    2.極多功能：隨著光纖制備和光纖器件的創(chuàng)新改進、光電子等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，激光時空特性的編輯能力逐步提升，激光器的功能日益多元，單機多用的能力逐步呈現(xiàn)。

    自身性能的提升
    1.極其緊湊：研究人員高度關(guān)注激光器體積、重量、穩(wěn)定度等性能的提升。例如，采用相變儲能和相變制冷組合的溫控方式，對激光器進行光學(xué)、電學(xué)和溫控一體化設(shè)計，使激光器質(zhì)量減小超過60%，體積減小近90%。
    2.極為可靠：科研人員不斷拓寬光纖激光的溫度范圍，使其能在極端溫度條件下正常工作。例如，已有在零下20到零上50均能正常工作的高功率摻銩光纖激光，在室溫、極端溫度（零下40或零上50）和振動（加速度為1.5g）環(huán)境下能保持快速鎖模自啟動和重復(fù)頻率鎖定功能的皮秒脈沖光纖激光器的報道。

    應(yīng)用范圍的拓展
    1.極端環(huán)境：科研人員不斷拓寬光纖激光的溫度范圍，使其能在極端溫度條件下正常工作。例如，已有在零下20到零上50均能正常工作的高功率摻銩光纖激光，在室溫、極端溫度（零下40或零上50）和振動（加速度為1.5g）環(huán)境下能保持快速鎖模自啟動和重復(fù)頻率鎖定功能的皮秒脈沖光纖激光器的報道。
    2.極高功率：面向100mm以上厚板切割等應(yīng)用需求，研究人員通過光束合成的方式快速提高光纖激光系統(tǒng)的輸出功率。在2023年6月到9月這短短3個月時間內(nèi)，已經(jīng)有4家單位研發(fā)了輸出功率超過150kW的激光系統(tǒng)，最高輸出功率已經(jīng)超過200kW。

    高功率光纖激光技術(shù)正處于高速發(fā)展的狀態(tài)，未來將繼續(xù)在科學(xué)邊界探索、關(guān)鍵技術(shù)突破、自身性能提升和應(yīng)用范圍拓展等方面取得重要進展。要深入推進和實現(xiàn)相關(guān)目標(biāo)，需要基礎(chǔ)理論、激光加工、光纖器件、設(shè)計軟件、儀器設(shè)備、合成技術(shù)等多方面繼續(xù)取得突破。