高功率光纤激光合成技术

何兵

高功率光纤激光技术是近年来国内外光电子技术领域最灸手可热的研究方向之一,近三十年的研究使得光纤激光技术获得了飞速发展,并在工业、医疗、科学研究、军事国防等领域得到了广泛应用。

以“光制造”为代表的新技术对工业制造带来了革命性变革,千瓦甚至数万瓦的高功率光纤激光器在金属打孔、多轴切割、远程焊接和激光熔覆等方向的应用都已成为现实。目前,小到微电子电路的精细切割,大到汽车车身的焊接,高功率光纤激光在各个主要应用领域中均有突出表现,市场份额年增长率连续数年达两位数以上,已成为先进制造领域的主力军。

伴随着应用领域的不断拓展,各行业对其输出功率和光束质量提出了更高要求。美国IPG Photonics公司和德国通快集团作为主要领军者在此领域首先进行攻关,推出了丰富的产品线。2009年单模光纤激光器的输出功率达到了创纪录的10 kW,这是一项划时代意义的成果,如图1,展示了过去25年间,IPG公司光纤激光器输出功率的增长情况,该结果同时涵盖了单模和多模两种光纤激光结构。在此之前,受限于半导体泵浦源亮度和光纤材料,单模光纤激光器的研究一直处于停滞状态。


图1 过去25年IPG公司光纤激光器输出功率的增长情况

高功率光纤激光的进一步发展阻力重重

光纤激光器输出功率的持续提升需要克服光纤中的非线性效应

该效应会随着激光功率密度及其在光纤中传输距离的增加而增加,通过增加光纤的有效模场面积可以明显改善非线性效应的限制。如果光纤的模场面积能够任意地增加,理论分析指出采用二极管直接泵浦的单纤激光器或放大器可实现36 kW近衍射极限的输出,采用同带泵浦技术能够将输出功率进一步提升至70 kW。

然而,大模场光纤的出现又会引发模式劣化与模式不稳定的新问题,导致输出亮度严重下降,功率提升停滞不前。与此同时,超大芯径的光纤拉制和与之对应的模式控制技术也尚未成熟,因此目前已报道的单模光纤激光器系统输出功率还远低于理论预测值。尽管单模光纤激光器的输出功率早已突破10 kW,但更为有效的非线性抑制和模式控制等关键技术尚未完善,进一步的功率提升仍步履维艰。

为了克服单根光纤的功率上限,基于光纤阵列的合成技术至此应运而生

高功率光纤激光器的合成技术可以有效地将增益和热管理分配在数个光纤阵列中,打破了“提升功率--产热增加--非线性效应增加”的恶性循环,可以绕开单纤激光器输出的物理极限。光纤激光因其特有的波导结构热光性能优异、结构紧凑,十分适合于作为单元模块构建系统,对多束光纤激光进行光束合成可以有效解决提升单路输出功率的同时保持良好光束质量的技术挑战。

光束合成技术应运而生

一般而言,光束合成技术分为相干合成和非相干合成两类。

相干合成技术需要各激光子束之间彼此完全干涉,因此需要精确匹配来自不同光纤激光器输出光束的相位,从而形成相长干涉,以产生高亮度输出,根据锁相方式的不同一般会被归类为主动式和被动式。

典型的光纤激光相干合成系统如图2所示,主要包括放大器模块(Amplifier module)、合束模块(Beam combiner)、性能评价获取模块(Metric Function module)和系统控制模块(System control module)。

然而,该合成技术对光源特性(模式、偏振、谱宽)、合成元件特性(动态抖动、热像差)、相位控制系统锁相残差等因素均提出了严格要求,研制难度大,所以该技术方案虽然在原理上可以在保证光谱纯度的前提下实现极高亮度的激光输出,但在实际操作中会因单路激光的输出性能和锁相带宽等因素,限制光纤阵列规模的进一步扩展,目前输出功率仅达到了44 kW量级,难以满足诸多实际应用的需求。


图 2 光纤激光相干合成的系统结构

非相干合成技术是通过各种不同的方式将光纤激光阵列直接合束,无需复杂的相位控制机制,便于扩展光纤阵列规模,结构简单稳定,根据合束方式的差异化一般会被归类为功率合成和光谱合成

2013年,IPG公司发布的工业级100 kW光纤激光器系统正是利用非相干功率合成的方式实现的多模稳定输出,如图3所示。该系统首先采用19×1的信号合束器,将15个输出功率1.2 kW,工作波长1070.5nm的单模光纤激光器合束形成多模激光器模块,6组模块之间再采用7×1的合束器并束为105.5 kW 的激光输出。该系统电光效率可以达到35.4%,累积工作时间大于40小时,在工业加工和石油钻探领域具有重大的应用价值。

功率合束器是功率合成方案的核心器件,它是将多束光纤剥去涂覆层,然后以一定方式排列在一起,在高温中加热使之融化,工艺制作的难度大、一致性要求高。此外,功率合束后的输出激光呈现多模特征,随着激光的持续传输,光斑开始弥散,亮度严重下降,不利于远距离能量传输,严重影响了该技术方案的应用前景。


图3 IPG 公司百千瓦工业级多模光纤激光器系统

光谱合成技术崭露头角

光谱合成,本质上是通过色散元件实现空间光学的密集波分复用。光谱合成使用许多单独工作的单模光纤激光器产生一系列密集波长的子光束,并通过逆色散过程实现波分复用,在空间形成共孔径传输的大功率光束,具有光束质量好、对子光束相位没有要求、结构简单稳定等优点,展现出无可替代的重要应用价值。

光谱合成技术中可能用到的色散元件包括棱镜、双色片 (DM)、体布拉格光栅 (VBG)、多层电介质(MLD)衍射光栅。

基于棱镜的光束合成由于色散能力较弱,难以分辨波长间隔为nm级的窄线宽激光,因此阵列规模的扩展性较差。

而基于DM的光谱合成受透射谱带宽和陡峭度的制约,在阵列规模的扩展方面同样受到了限制。

基于VBG光栅的光谱合成是一种结构简洁、能够实现高光束质量激光输出的合成方法,VBG在一定的光谱范围内具有高衍射效率与低吸收率的特性,并且能够实现衍射效率与热吸收率的优化。但是,高功率运转时VBG光栅的热效应问题会导致合成激光光束质量的退化和衍射效率的降低,这使得基于VBG的光谱合成方案向更高功率发展时面临挑战。

因此,热稳定性好、衍射效率高的反射式MLD光栅获得重视,在高功率高光束质量光纤激光光谱合成应用中得到快速发展。

2009年,德国耶拿大学报道了利用介质膜光栅对4路500W功率量级的基于光子晶体光纤放大的激光器进行光谱合成的实验结果,实现了2kW的激光输出,两个方向的光束质量因子分别为2.0和1.8。2011年,该研究团队将子光束的功率提高到了2.1kW,从而实现了8.2kW的光谱合成,当合成激光的输出功率增长到7.3kW时,光束质量因子会劣化到4.3,这是当时报道的光纤激光器光谱合成的最高功率水平。

MLD光栅高功率光纤激光光谱合成的另一个突出代表是美国的洛克希德•马丁公司。

洛克希德·马丁公司通过单块多层电介质反射式衍射光栅实现96台掺镱光纤激光器的光谱合成,每个激光器在硅基光纤镱离子激光发射谱段内以微小的波长差辐射,系统产生了30 kW的激光束,合束效率超过了95%,如图4所示。

2017年3月,洛马公司再次刷新了他们光谱合成输出激光的功率,首次公开宣称其实现了60 kW级近衍射极限输出的光纤激光光谱合成。该系统的电光转换效率大于43%,这也是目前公开报道的光纤激光光谱合成系统实现的最高输出功率水平。

2018年,洛克希德公司获得了美国海军的一份合同,将建造两台光谱合束光纤激光系统,发射功率为60-150 kW,一台用于海上测试,另一台用于陆地测试,并且预计光谱合束光纤激光系统可以考虑在未来5到6年内增大功率达到300 kW。


图4 洛克希德马丁公司基于光谱合成技术的30 kW 激光系统

国内对于光纤激光光谱合成的研究起步较晚,大部分报道主要是针对合成器件与合成系统的理论分析。但近几年,我国科研人员在光谱合成的实验研究上也呈现出突飞猛进的发展态势。

2015年,中国工程物理研究院利用MLD光栅搭建了一套双光栅光谱合成系统,对5路千瓦级MOPA结构光纤激光放大器进行光谱合成。其中,五路激光中心波长覆盖范围为1060nm-1067nm,最终实现5.07kW高功率激光输出,合成效率91.2%,合成输出激光光束质量为Mx2=2.8, My2=2.0。

2016年,该研究团队对上述双光栅光谱合成系统进行扩展,系统组成包括10路千瓦级全光纤结构的窄谱宽子束光纤激光器和两组双电介质光栅光谱合成单元,最终获得了最大功率9.6kW的合成激光输出,合成效率92%,光束质量M2为2.9。

2016年,上海光机所高功率光纤课题组基于MLD光栅对8路光纤激光放大器实现了光谱合成。其中,单路光源为1.5kW掺镱光纤超荧光光源放大器。最终,合成激光输出功率为10.8kW,合成效率为94%,理论计算光谱展宽导致的合成光束质量劣化会超过5。

同年,由于窄线宽光纤激光器的研究取得突破性进展,该课题组根据子链路输出激光的性能,采用了单、双光栅结合的方式,实现了最高合成功率11.27kW的激光输出,合成效率92.8%,万瓦功率量级时合成输出光束衍射倍率因子小于2.5。

展望未来路漫漫尤可期

进入21世纪以来,高功率光纤激光技术得到了迅速发展,其原因除了光纤激光器本身的独特优势之外,市场行为推广的光纤材料与器件(即高增益双包层光纤、光纤光栅、包层光剥离器、大功率泵浦源等)也起到了至关重要的作用。从主流产品的装置结构示意图(如图5)不难发现,无论是“单路光纤放大”还是“多路光束合成”方案,光纤激光系统永远绕不开激光种子源、泵源、光纤材料与元件(合束器、光剥离器等)这几个关键组成部分,因而高功率光纤激光器发展最迫切的需要必须是核心材料和关键器件的成熟工艺水平。


图5 高功率光纤激光装置结构示意图

受制于各种外在条件的限制和内在机理的约束,单束光纤激光的输出功率难以实现大幅度阶跃上升,对多束激光进行光束合成是实现更高亮度输出的必由之路,这一点已经成为业内人士的共识。光纤激光器固有的紧凑结构也非常适合于构建大规模的激光阵列,通过相干或非相干的方式构建更具应用前景的高能光纤激光试验系统。与相干合成方法相比,非相干合成技术降低了对合成单元的要求,使系统构建免除了复杂的相位控制部件,并且有更好的系统稳定性,需求推动发展,相信不久在的将来,大于百千瓦输出功率的高亮度光束合成可望成功实现。

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柏刚,杨依枫,晋云霞,何兵,周军. 光谱合成激光光束特性的研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(4): 040004.