周朴 |国防科技大学前沿交叉学科学院
作者在中简要回顾了2009年至2024年间我国高功率光纤激光的发展历程。在此期间，其他国家和地区的科研人员也不断取得重要技术突破，使得高功率光纤激光成为全球激光与光电子学科学研究和行业应用的前沿热点。以“High Power Fiber Laser”为关键词检索Web of Science数据库，仅2020年1月至2024年12月就收录了超过2300篇论文；高功率光纤激光也已经广泛应用于汽车、航空航天、船舶、能源等领域，经常出现在Laser Focus World、Optics andPhotonicsNews等行业杂志上。
与此同时，人们也不难注意到，单从功率指标而言，部分数据存在一定程度的“滞涨”，比如1万瓦级单模掺镱光纤激光（2009年实现）、1千瓦级掺铥光纤激光（2010年实现）、300瓦级铒镱共掺光纤激光（2007年实现[1]；2018年实现了600瓦级多模激光[2]）等等，单从上述几组数据看，技术水平似乎似乎未见明显提升。但是，如果选取其他的分析视角，就会发现高功率光纤激光现状的另外一番景象。
例如，从线宽的视角看。按照输出线宽，高功率光纤激光大致可以分为单频激光（单纵模激光）、窄线宽激光、常规线宽激光、宽谱激光和超宽谱激光（主要指超连续谱）等五种类型[3]。2009年实现的1万瓦级单模掺镱光纤激光属于常规线宽激光，而其他类型的激光输出功率实际上取得了飞速发展。对于掺镱光纤激光而言，如果与10年前的输出功率最高值进行比较，单频光纤激光已经从300瓦级提升至1千瓦级[4]，窄线宽光纤激光已经从2千瓦级提升至7千瓦级[5]，宽谱激光已经从千瓦级提升至6千瓦级[6]，超宽谱激光已经从400瓦级提升至1千瓦级[7]。2021年发表的文献[3]统计了当时的5类激光最高输出功率，呈现出一定的对称性，如今这种对称性依然存在。
又如，从偏振的角度看。2017年，作者所在课题组对不同类型的线偏振光纤激光最高输出功率进行初步统计，发现很多类型的线偏振激光与对应的随机偏振激光的最高输出功率比值约为1:2或者1:3[8]。当前，如果结合前段线宽的分类方式，则可以发现，除了常规线宽激光类型外，其余类型的线偏振激光与随机偏振激光最高输出功率基本一致[9，10]。这表明，由于光束合成、频率变换等应用的需求带动，线偏振高功率激光取得了高速发展。
再如，从功率定标放大潜力的角度看。固态增益介质激光的功率定标放大能力一直与热管理能力密切相关[11]，光纤激光也不例外，降低激光器的量子亏损是热管理的有效手段。从历史上看，半导体激光泵浦的使用（上世纪70年代）、掺镱光纤的广泛使用（上世纪90年代）、级联泵浦技术的使用（2010年前后）使得激光的量子亏损逐步降低至20%、10%和5%量级。近年来，科研人员相继运用掺镱光纤、多组分光纤、掺磷光纤等将量子亏损降低至1%左右，输出功率也逐步从毫瓦级提升至千瓦级[12]。这为进一步提升单束激光的输出功率提供了一种思路。
总体而言，近年来，高功率光纤激光一直在处于高速发展的状态。从公开发表的文献看，还呈现出了以下几个方面的典型趋势：
一是以极限波长、极短脉冲为代表的科学边界的探索。在掺杂光纤的发射谱范围内实现高功率激光输出是最为典型的场景，但是由于发射截面、净增益等因素的影响，发射谱内的波长实现高功率输出的难度是不一样的，存在一定的“舒适区”。比如石英基掺镱光纤的典型发射谱宽于200 nm，但是实现较高功率输出的范围通常不超过30 nm（如1060 nm-1090 nm）。尽管基于受激拉曼效应可以大幅拓宽高功率激光波长覆盖区域[13]，但在掺杂光纤的“非舒适区”（甚至在边缘/极限波段）实现高功率输出一直是研究人员追求的目标[14]。例如，IPG Photonics公司2020年报道在1007 nm、1010 nm和1018 nm中心波长分别实现0.75 kW、0.90 kW、1.33 kW全光纤结构单模高功率输出[15]。基于掺杂光纤相对较宽的发射谱、非线性效应和脉冲压缩技术，科研人员也在不断探索高功率超短脉冲的脉宽极限，例如，Max Born研究所等单位联合课题组2019年报道实现10 fs级脉宽、300 W级高平均功率光纤激光输出[16]。
二是以极长传输、极多功能为代表的关键技术的突破。光纤激光的一个典型特点就是可柔性传输。然而，受非线性效应等因素的影响，高功率光纤激光的传输与常规通信光的传输相比难度极大，很多文献报道的千瓦级高光束质量激光系统传输尾纤长度仅在米量级，可柔性传输的特点其实难以体现。近年来，研究人员聚焦长距离传输场景，在微结构光纤等关键技术上取得重要突破[17]，实现以基于反谐振光纤的千瓦单模激光千米传输等代表性结果，为长距离能量输运等奠定了技术基础。过去，一种激光器通常只具备一种功能。近年来，随着光纤制备和光纤器件的创新改进、光电子等技术的广泛应用，激光时空特性的编辑能力逐步提升，激光器的功能也日益多元[18]，单机多用的能力逐步呈现。
三是以极其紧凑、极为可靠为代表的自身性能的提升。除了激光功率、光束质量等常见的光学参数外，研究人员也高度关注激光器体积、重量、稳定度等性能的提升。例如，很多论文报道中的单次连续工作时长单位以小时计，那么高功率光纤激光能否连续数百小时（或者更长，甚至类似通信传感用激光）工作，等等。对于千瓦级高功率激光器，研究人员采用相变储能和相变制冷组合的温控方式（代替水冷系统中的热交换介质），对激光器进行光学、电学和温控一体化设计，相比于商用光纤激光器质量减小超过60%，体积减小近90%[19]。除了常见的单束掺镱光纤激光，近期也有1.5 μm波段高功率光纤激光、面向引力波探测等应用的相干合成型高功率光纤激光等过去被认为是“科研型”激光的长时间稳定工作的研究报道[20]。
四是以极端环境、极高功率为代表的应用范围的拓展。激光加工是高功率光纤激光的典型应用场景，所处的环境通常会比较好，例如，相对宽敞的操作环境、相对舒适的工作温度等。一般而言，产品级的高功率光纤激光器都会标注适用的温度范围（室温居多），不一定能工作在严寒酷暑等极端温度条件下。而以厚板切割为代表的极端制造领域，很多场景能用与否是与输出功率直接相关的。近年来，科研人员不断拓宽光纤激光的温度范围，例如已有在零下20到零上50均能正常工作的高功率掺铥光纤激光，在室温、极端温度（零下40或零上50）和振动（加速度为1.5g）环境下能保持快速锁模自启动和重复频率锁定功能的皮秒脉冲光纤激光器的报道[21]，等等。面向100 mm以上厚板切割等应用需求，研究人员通过光束合成的方式快速提高光纤激光系统的输出功率[22]，在去年6月到9月这短短3个月时间内，已经有4家单位研发了输出功率超过150kW的激光系统，最高输出功率已经超过200kW[23]。
上述“八极”主要是从文献报道的分析和聚类得出的，难免挂一漏万。即便如此，要深入推进和实现相关目标，也将面临很多困难和挑战，需要基础理论、激光光纤、光纤器件、设计软件、仪器设备、合成技术等多方面继续取得突破。专栏后续也将对其中几个方面的进展和趋势进行分析，以期为高功率光纤激光的科研、教育、人才培养提供一些参考。
备注：
本文观点是作者根据近期公开发表的文献整理形成（部分内容曾在“《中国激光》创刊五十周年学术论坛”简要阐述），属“一家之言”，不妥之处，恳请读者多多批评指正。本文第一段提到的Web of Science相关数据，是由暨南大学物理与光电工程学院博士后常洪祥协助检索完成的，在此声明并致谢。
参考文献：
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[1]Y. Jeong et al., Erbium:Ytterbium Codoped Large-Core Fiber Laser With 297-W Continuous-Wave Output Power, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 13(3), 573-579 (2007). T. Matniyaz, F. Kong, M. T. Kalichevsky-Dong, and L. Dong, "302 W single-mode power from an Er/Yb fiber MOPA," Opt. Lett. 45(10), 2910 (2020) W. Li, Q. Qiu, L. Yu, et al. "Er/Yb co-doped 345-W all-fiber laser at 1535 nm using hybrid fiber," Opt. Lett. 48(11), 3027 (2023).
[2]Lin, Huaiqin et al. “656 W Er-doped, Yb-free large-core fiber laser.” Optics letters 43 13 (2018): 3080-3083 .
[3]关于每类激光的典型线宽以及应用场景可参见文献：周朴，冷进勇，肖虎，等. 高平均功率光纤激光的研究进展与发展趋势，中国激光，2021年第10期
[4]李魏, 马鹏飞, 邓宇，等. 全光纤单频近单模激光首次突破千瓦输出. 中国激光, 2024, 51(7): 0716002.
[5]Pengfei Ma, Tianfu Yao, Yisha Chen, et al. "New progress of high-power narrow-linewidth fiber lasers", Proc. SPIE 12310, 2022
[6]李瑞显，王崇伟，叶俊，等. 6 kW超荧光光纤光源. 中国激光, 2023, 50(22): 2215001
[7]Jiang L, Wu J M, Song R, et al. Kilowatt-level supercontinuum generation in a single-stage random fiber laser with a half-open cavity. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11: e80.
[8]Pu Zhou, Long Huang, Pengfei Ma, et al. "Advances in high power linearly polarized fiber laser and its application," Proc. SPIE 10457, 2017
[9]王岩山，彭万敬，王珏，等. 10 GHz窄线宽线偏振近单模全光纤激光器实现5 kW功率输出. 中国激光, 2023, 50(24): 2416002
[10]吴函烁，杨成，李浩博，等. 高功率线偏振光纤激光研究进展. 中国激光. 2025, 52(06):0600001. DOI：10.3788/CJL241130
[11]周寿桓. 固体激光器中的热管理. 量子电子学报. 2005
[12]许将明，张扬，马小雅等. 1 um波段低量子亏损光纤激光研究进展. 红外与激光工程，2023，52(6): 20230267；Yang Zhang, Jiangming Xu, Junrui Liang, et al. Kilowatt cladding-pumped low quantum defect Raman fiber amplifier, Photonics Research, 2024
[13]冯衍，姜华卫，张磊. 高功率拉曼光纤激光器技术研究进展. 中国激光, 2017, 44(2): 0201005；姚天甫，范晨晨，郝修路，等. 拉曼光纤激光功率提升及波长拓展研究进展. 中国激光, 2024, 51(19): 1901010.
[14]Pu Zhou, Ruixian Li, Hu Xiao, et al. "Exploring high power, extreme wavelength operating potential of rare-earth-doped silica fiber," Proc. SPIE 10339, 2017
[15]Nikolai Platonov, Oleg Shkurikhin, Valentin Fomin, et al. "High-efficient kW-level single-mode ytterbium fiber lasers in all-fiber format with diffraction-limited beam at wavelengths in 1000-1030 nm spectral range," Proc. SPIE 11260, 2020.
[16]Tamas Nagy, Steffen Hädrich, Peter Simon, et al. "Generation of three-cycle multi-millijoule laser pulses at 318 W average power," Optica 6, 1423-1424 (2019)
[17]姚静远，张鑫，顾帅，等. 基于空芯反谐振光纤的高功率激光传输技术研究进展. 中国激光, 2024, 51(19): 1901002；陈潇，黄善旻，黄良金等. 千瓦级单模激光传输超越百米. 中国激光, 2024, 51(5): 0516002.
[18]Dahv A. V. Kliner, Brian Victor. A Breakthrough for Fiber Lasers.
[19]张利明，张昆，赵鸿，等. 1.2 kW便携式光纤激光器. 强激光与粒子束, 2022, 34: 031005
[20] Andrew Grimes, Venkatapuram S. Sudarshanam, et al. "Long term, stable, 115W output from an erbium fiber amplifier pumped by a Raman fiber laser", Proc. SPIE 12400, 2023；Wellmann, Felix et al. “Low noise 400 W coherently combined single frequency laser beam for next generation gravitational wave detectors.” Optics express 29 7 (2021): 10140-10149 .
[21] Doruk Engin, William Rudd, Mark Storm, et al. "High power thulium fiber laser systems for airborne and spaceborne missions," Proc. SPIE 11261, 2020；姚波，段典，豆贤安，等. 面向室外应用的重复频率锁定皮秒脉冲光纤激光器.中国激光，2024
[22]周朴，粟荣涛，李灿等，高功率光纤激光的光束合成：进展、动向与展望. 中国激光，2024
[23]大族激光智能装备集团全球首台套150kW超高功率激光切割机正式交付；创鑫激光发布全球首台160kW超高功率光纤激光器：；超越极限，前所未有！凯普林发布全球最高功率工业级光纤激光器；锐科激光完成全球首台200kW激光器签约！
END