環形光斑是什麼

文/王小林、張漢偉、楊保來、奚小明、王鵬，國防科技大學前沿交叉學科學院

光纖鐳射器具有高效率、低熱負荷、高光束質量、可柔性傳輸等優點，在工業加工、材料處理、國防科研等領域具有廣泛的應用前景。與主振盪功率放大（MOPA）結構的光纖放大器相比，光纖振盪器具有結構緊湊、控制邏輯簡單、成本低廉、抗反射回光能力強、穩定性好等優點。

隨著光纖器件和工藝的發展，摻鐿光纖振盪器（後文簡稱“光纖振盪器”）輸出功率和光束質量不斷提升，光纖振盪器與MOPA結構光纖放大器的差距正在逐漸縮小。

高功率光纖振盪器的研究現狀

表1給出了文獻公開報道的光纖振盪器的典型研究結果。早在2012年，美國Alfalight公司報道了輸出功率1 kW的全光纖振盪器。此後，光纖振盪器幾乎每年上一個臺階，在最近兩年，光纖振盪器輸出功率更是得到了極大的提升。

2019年，Laserline公司報道了17 kW的空間結構多模光纖振盪器；2020年，日本藤倉公司報道了輸出功率8 kW的近單模全光纖振盪器。下面分別對空間結構和全光纖結構光纖振盪器的典型研究結果和現狀進行介紹。

空間結構光纖振盪器典型結果

在光纖鐳射器發展的早期，由於全光纖泵浦合束器、光纖光柵等器件製作工藝不成熟，只能利用空間鏡片替代合束器、光纖光柵等器件。

在空間結構振盪器中，透過透鏡對抽運光進行耦合、利用反射鏡構建諧振腔，利用分色鏡將抽運光和鐳射分離。早在2004年，英國南安普頓大學Jeong等採用雙向抽運的空間光路結構，獲得了1。01 kW的鐳射輸出。同年，他們最佳化增益光纖設計，獲得了1。36 kW近衍射極限（

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2=1。4）的鐳射輸出。

2009年，英國南安普頓大學研究人員利用類似的空間結構方案，實現了最大輸出功率2。1 kW的單模光纖鐳射輸出。在之後的幾年內，隨著全光纖合束器及大模場光纖光柵等全光纖器件的逐步發展，空間結構全光纖振盪器研究相對較少。直到2014年，美國Coherent公司等報道了輸出功率3 kW的空間結構單模光纖振盪器。

一直以來，人們容易主觀地認為空間結構光纖鐳射器穩定性較差，難以適合苛刻的工業環境應用要求，所以空間結構光纖振盪器並未受到廣泛的關注。直到2019年，德國Laserline公司報道了輸出功率為17。5 kW的高功率振盪器，一定程度改變了我們對空間結構光纖鐳射器的認識。

研究人員透過對結構和引數的設計，在抽運功率為24 kW時，獲得17。5 kW的功率輸出，輸出光束質量為8 mm·mrad。圖1為17。5 kW空間結構光纖振盪器實驗結構。

圖1 17。5 kW空間結構光纖振盪器實驗結構

Laserline公司研究人員還對單端抽運情況下的10 kW鐳射器進行大於10天（240小時）的穩定性拷機測試，在整個拷機過程中，鐳射輸出功率波動小於1%，證明該空間結構鐳射器具有良好的穩定性。

在該報道中，Laserline公司還指出，基於類似結構的6 kW鐳射器已經有成熟的商業產品，證明了空間結構鐳射器穩定性足以滿足工業應用的要求。

2020年，德國弗朗禾費鐳射技術研究所和Laserline公司合作，利用刻寫增益光纖上的光纖光柵，搭建了輸出功率為8 kW的空間結構光纖振盪器，實驗結構如圖2所示。

圖2 基於增益光纖刻寫光纖光柵的空間結構光纖振盪器實驗結構

全光纖結構光纖振盪器最新研究現狀

一般認為，全光纖結構振盪器結構緊湊、穩定性好，在光纖光柵、高功率合束器等全光纖器件工藝進步的基礎上，全光纖振盪器得到了快速的發展。事實上，在2010年，芬蘭CoreLase公司推出1 kW全光纖振盪器產品之後一段時間，全光纖振盪器發展較為緩慢。直到2016年以後，國內外多家單位對全光纖振盪器開展了深入的研究，輸出功率也迅速從2016年的2 kW提升到2020年的8 kW。這裡主要介紹2020年以來最新的高功率全光纖振盪器實驗報道。

2020年1月，國防科技大學報道了輸出功率6 kW的全光纖振盪器。實驗結構如圖3所示，採用雙向抽運的方案將915 nm抽運光注入到增益光纖。在抽運功率為9。2 kW時，振盪器輸出功率為6。03 kW，光光效率為65%，測得的光束質量

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2約為2。6，測量結果如圖4 所示。

圖3 6 kW全光纖振盪器實驗結構

圖4 6 kW全光纖振盪器實驗結果（a）功率效率曲線（b）輸出光譜（c）輸出光斑特性

2020年3月，德國耶拿大學在之前的5 kW光纖振盪器基礎上，報道了基於飛秒鐳射器刻寫高功率光纖光柵的5 kW全光纖振盪器，如圖5所示。他們利用飛秒鐳射在Nufern 公司的纖芯/內包層直徑為20/400 μm的光纖上刻寫高反射和低反射光纖光柵。然後基於該光柵搭建鐳射振盪器，透過彎曲增益光纖的方式抑制模式不穩定效應，獲得最高輸出功率為5 kW。在輸出功率為4。8 kW時，測試得到光束質量

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2為1。3。圖6為基於飛秒鐳射器刻寫光柵的5 kW全光纖振盪器實驗結果圖。

圖5 （a）基於飛秒鐳射器刻寫光柵的5 kW全光纖振盪器實驗結構（b）光柵光譜特性

圖6 基於飛秒鐳射器刻寫光柵的5 kW全光纖振盪器實驗結果（a）功率與光斑（b）輸出光譜

在2020年的西部光電子會議上，日本藤倉公司報道了8 kW全光纖振盪器，實驗結構如圖7所示。透過優化纖芯設計以使得基模光束獲得較高增益，透過降低輸出耦合光柵反射率來提升SRS的閾值。整個鐳射器中，光纖端帽長度3 m，諧振腔高反射光柵到光纖端帽輸出端總的光纖長度為32 m。

圖7 8 kW全光纖振盪器實驗結構

在抽運功率10 kW時，獲得輸出功率為8 kW。在最高功率時光譜中拉曼抑制比大於22 dB，鐳射器輸出光束質量

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2因子在1。5左右。圖8為8 kW全光纖振盪器實驗結果。

圖8 8 kW全光纖振盪器實驗結果（a）不同功率輸出光譜特性 （b）8 kW時光束質量特性

光纖振盪器發展趨勢

高功率輸出是永恆的追求

在傳統的科研、國防和某些特定的工業應用領域，不僅要求光纖鐳射器有較高的輸出功率，還要求具有較好的光束質量。比如，大科鐳射有限公司認為，採用高功率高光束質量的單模光纖鐳射器進行材料焊接，比採用多模鐳射焊接時具有更大的溶深、更平整細膩的焊縫、更緻密的內部結構等優勢。

因此，繼續提升鐳射器的輸出功率和光束質量，是光纖振盪器發展永恆不變的追求。

在一般工業應用領域，多模高功率光纖振盪器也可以替代傳統基於多路單模鐳射功率合束的多模鐳射器。典型的，比如創鑫鐳射的單模組5 kW多模光纖鐳射器，Laserline的17 kW多模光纖振盪器，都是基於這一思路，利用一個單模組的鐳射器替代傳統的基於多個單模鐳射器功率合束的多模組鐳射器，這樣不僅能夠降低成本，還可以提高系統的穩定性。

功率提升與效率提升並重

在實際應用中，光纖振盪器的效率同樣受到廣泛的重視。由於摻鐿光纖在915 nm附近的吸收波段較寬，鐳射輸出功率不容易受到工作環境溫度變化的影響。

因此，在較早的工業產品中，為了保證鐳射器的穩定性，一般採用915 nm波段LD作為光纖鐳射器的抽運源。但是由於量子效率較低，基於915 nm抽運源的摻鐿光纖鐳射器的電光效率較低。為了降低執行成本，提高鐳射器的電光效率，最近幾年工業領域逐步開始採用976 nm的LD作為抽運源。

分析認為，利用976 nm的LD作為抽運源時，可以使用更短的光纖，鐳射器電光效率可以提升到33。3%以上，因此比915 nm具有更低的生產成本。典型的就是GW公司的3 kW光纖振盪器，他們採用976 nm非穩波長LD作為抽運源，透過最佳化熱管理設計，可以提高鐳射器的穩定性，使得鐳射器電光效率達到了42%。

但是，由於976 nm抽運時增益光纖的單位長度熱負荷比915 nm抽運時增益光纖的單位長度熱負荷高，976 nm抽運光纖鐳射器的模式不穩定閾值比同等情況下915 nm抽運光纖鐳射器的模式不穩定閾值低。因此，如果需要在保證鐳射效率的同時繼續提升輸出功率，還需要進一步最佳化鐳射器的抽運波長。

面向實際應用的特種形態鐳射光斑

在傳統的科研和工業領域，追求高亮度的單模鐳射輸出是終極目標。但是，隨著應用領域的擴充套件，尤其是對材料切割速度和光束質量有較高要求時，非單模環形光斑等特種形態的鐳射得到了越來越廣泛的應用。

2018年之前，國外IPG、Coherent、nLIGHT等公司為了提升材料切割質量，採用多模組激光合束方式實現環形光斑輸出，其中最為典型的就是nLIGHT公司的Corona系列可變光斑的光纖鐳射器。

2018年前後，飛博鐳射技術有限公司基於光纖振盪器推出了3 kW的環形光斑鐳射器產品，該鐳射器的典型光斑形態如圖 9 （a）所示。該鐳射器在切割板材範圍、速度和質量上，可以得到普通4 kW鐳射器的基本相同的效果。2019年，飛博鐳射技術有限公司又推出了基於光纖振盪器的4 kW環形光斑鐳射器產品。國防科技大學在多年的高功率振盪器研製的基礎上，在2019年也實現了輸出功率大於5 kW的高功率環形鐳射器，在輸出功率為5。08 kW時，遠場光斑如圖9（b）所示。

圖9 基於光纖振盪器的環形光斑鐳射器光斑形態

鐳射波段向短波和長波擴充套件

一般工業領域的光纖振盪器，輸出波段在1060-1080 nm，隨著非線性頻率變換、級聯抽運等應用領域的發展，光纖振盪器輸出波長同時向短波（<1040 nm）和長波（>1100 nm）發展。

以短波為例，2020年，美國IPG公司利用光纖振盪器在波長為1007 nm、1010 nm、1018 nm和1030 nm分別實現了0。75 kW、0。90 kW、 1。33 kW 和 1。40 kW的功率輸出，輸出鐳射光束質量都小於1。1，這是目前該波段最高功率的系列光纖振盪器。

作者簡介

王小林、張漢偉、楊保來、奚小明、王鵬等均為國防科技大學前沿交叉學科學院高能鐳射技術研究所研究人員，主要從事大功率光纖鐳射器、光纖振盪器、光纖鐳射模擬軟體方面研究。報道了國內最高功率光纖振盪器結果，並與中科院軟體所合作釋出了國內首款光纖鐳射模擬軟體SeeFiberLaser。