光纤输出高功率全固态激光器关键技术及应用

2017年度国家技术发明奖二等奖项目。

主要完成人：

林学春（中国科学院半导体研究所）

罗虹（北京京冶轴承股份有限公司）

林培晨（江苏中科四象激光科技有限公司）

李达（中国科学院半导体研究所）

赵鹏飞（中国科学院半导体研究所）

刘燕楠（中国科学院半导体研究所）

按照任务书要求，本项目针对一体化高功率掺铥光纤激光器的关键技术开展深入的理论和实验研究工作。在理论研究方面，开展了石英基光纤掺杂物理机制研究，建立了掺杂非晶态二氧化硅的模型，为光敏、高掺杂及数值孔径间的平衡问题的解决奠定了基础；建立了适用于二氧化硅单组分疏松层的热力学模型，为高质量光纤预制棒的制作提供了保证；建立了掺铥光纤激光器速率方程模型和高功率双包层光纤激光器中热效应抑制模型，提出一套通过合理安排抽运方式实现光纤均匀温度分布和较低的最高工作温度并确保斜率效率最大的优化算法。在实验研究方面，研制出模场面积高达3000平方微米的六孔型大模场面积光纤；提出并研制出了一种抗弯曲的大模场面积光子晶体光纤，在弯曲半径30cm时模场面积仍可达为2242平方微米，弯曲敏感角为60度，是目前报道的最好水平；针对光子晶体光纤制作工艺缺陷问题，首次提出了一种基于数字图像处理技术和有限元方法相结合的实时监测模型，对光子晶体光纤工艺参数实现了在线优化，实现了实际光子晶体光纤特性的快速间接测量；在所研制的六角形双包层掺铥光纤上研制出反射率高达98%一体化光纤光栅，进而研制出一体化掺铥光纤激光器，输出功率2.1W，线宽为47pm, M2因子1.1；基于所研制侧漏光子晶体光纤，研制出一种室温可开关可调谐多波长环形光纤激光器，可稳定工作在单波长、双波长及三波长激光输出。 取得的标志性的成果有：（1）基于材料微观特性研究，建立了光纤原材料非晶态二氧化硅的理论分析模型；（2）基于所研制的六角形双包层石英基掺铥光纤，研制出一体化掺铥光纤激光器；（3）提出了可用于2微米波段且能调和大模场面积和单模矛盾的新型抗弯曲大模场面积光子晶体光纤；（4）信号处理技术和有限元法相结合，首次实现了一种光子晶体光纤特性的制作过程监测，并成功研制出多种新结构光子晶体光纤；（5）基于所研制侧漏光子晶体光纤，研制出一种室温可开关可调谐多波长环形光纤激光器。 受本项目资助，发表标注资助论文33篇，其中本领域顶级学术会议论文2篇，SCI检索论文20篇，EI 24篇，ISTP 2篇；申请国家发明专利7项，获授权6项；获国家计算机软件著作权4项。课题组负责人应邀在大型国际会议上做特邀报告3次，在全国大型学术会议上做特邀报告1次；培养毕业博士研究生6人，硕士研究生7人；联合承办国际学术研讨会3次和全国学术研讨会1次。 2100433B

掺铥光纤激光器发射谱覆盖1.5到2.2微米波长段，涵盖两个大气窗口和一个水强吸收带，位于眼安全区，在军事、医疗、无线光通信、工业等领域应用前景广泛，尤其2.0微米段的激光输出可解中红外军用激光泵浦源的燃眉之急。其输出功率和发展速率已超越铒镱共掺光纤激光器，正从百瓦级向千瓦级迈进。本课题根据一体化高功率掺铥光纤激光器的发展需求，从石英基掺杂机理着手，改进MCVD在线掺杂工艺和预制棒处理技术，将石英基掺铥光纤的低损耗区向2微米段延伸；研究不同掺杂元素对光纤特性的影响，通过共掺元素的新方案，解决掺铥光纤中增益、光敏和纤芯数值孔径等多因素的综合平衡问题；针对大模场面积与单模的矛盾，设计新型光子晶体大模场面积单模双包层掺铥光纤；研究一体化光纤光栅的波长控制技术、封装技术，实现高稳定一体化光纤光栅谐振腔；同时在理论和实验两方面开展多路耦合器及热控问题的研究，推动千瓦级高功率掺铥光纤激光器的研究步伐。

随着光纤激光器技术的发展,现在的光纤激光器的输出功率变化范厘非常大,可从毫瓦量级变化到千瓦量级,几百一千M至几牛千瓦的大功率激光器也成为研究研究。其应用范围也从原来单一的光通信领域扩展到医疗美容、工业生产、机械制造、材料处理、热核聚变、航空航天和国防军事等行业。

随着全光通信网络的发展,高功率光纤激光器和放大器能使光纤以更低的损耗传输、更长的距离传输信号,以实现远距离通信信号的无差错传输。激光焊接更具有牢固、精密、密封性好、易控制、胜任小尺寸以及结构复杂工作的优点。在辉接领域,激光燥接和烧结所需的功率为50 W到500 W,金属辉接和硬辉所需功率更高达20 kw。在军用领域,光纤激光器的输出功率至少要达到100 kw,且具有输出能量高度集中,射击无后座力,精准定位等优点。在医用方面,光纤激光器作为手术刀用于各种外科手术中,并已经取得广泛应用,如21 um掺铥光纤激光器经常用在显微外科手术中,而且近几年兴起的激光美容市场也非常火爆。在欧美等发达国家汽车零部件都使用激光加工,比如激光焊接和切割,市场份额高达约60%-75°%。在石油矿产领域,高功率光纤激光器也发挥着重要作用,2003年美国天然气技术研究所用5.34 kw高功率激光器进行井下射孔实验,证明了此种大功率光纤激光在合理操控下甚至能够击碎硬度很大的岩土类物质。光纤激光器与其他激光器相比具有光束质量高、泵浦效率高、稳定性强等优点,因而在市场上得到广泛应用,个科研机构和相关公司也不断投入以获得性能更加优良的光纤激光器