大功率光纤激光协同创新中心

光纤激光器的最大特点就是一根光纤穿到底，整台机器高度实现光纤一体化。而那些只在外部导光部分采用光纤传输或者LD泵浦源采用尾纤来耦合的激光器都不是真正意义上的光纤激光器。

光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，主要广泛应用于光纤通讯，其导光原理就是光的全反射机理。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯(芯径一般为9-62.5μm)、中间低折射率硅玻璃包层(芯径一般为125μm)和最外部的加强树脂涂层组成。〈见图一〉光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤：中心玻璃芯较细(直径9μm 0.5μm)，只能传一种模式的光，其模间色散很小，具有自选模和限模的功能。多模光纤：中心玻璃芯较粗(50μm 1μm)，可传多种模式的光，但其模间色散较大，传输的光不纯。

用于高功率光纤激光器中的光纤不是普通的通讯光纤，而是掺杂了多种稀有离子、结构更为复杂、耐高辐射的特种光纤---双包层光纤。

双包层光纤比普通光纤在纤芯外多了一个内包层，对泵浦光而言是多模的，直径和受光角较大，能大肆吸收高亮度的多模泵浦光，在光纤内聚集大量的光子。

实践证明：横截面为D型和矩形的双包层光纤具有95%的耦合效率因而得到广泛应用。对于脉冲光纤激光器而言，一个重大的课题就是如何提高光纤的耐辐射能力。目前世界上光纤激光器的单脉冲能力可以达到20,000W，一根头发丝大小的光纤如何能承受如此高的激光辐射？所以必须考虑在光纤内掺杂某种特殊离子防止光纤被烧坏。比如掺杂了铈离子的光纤就是在核辐射情况下，既不会因染色而失去透光能力，更不会受热变形。

光纤激光是激光技术研究的前沿课题,光纤激光器具有体积小、效率高、光束质量好、节能环保等优势,在光通讯、激光加工、激光医学、生物技术等领域具有广阔的应用前景。

大功率光纤激光协同创新中心于2013年4月12日在长沙成立。国防科技大学光电科学与工程学院携手清华大学精密仪器与机械学系、中国科学院上海光学精密机械研究所，通过建立技术联盟、共享仪器设备、联合培养人才等形式，围绕突破光纤激光核心关键技术开展协同创新，研制开发具有世界先进水平的光纤激光器，改变我国高功率光纤激光器依赖进口、核心技术和知识产权受制于国外的状况，促进我国光纤激光技术水平的整体提升和可持续发展。

我国光纤激光技术有了长足发展,但整体水平和可持续发展能力与世界先进水平仍有明显差距。为提升我国光纤激光技术的整体水平,满足国家重大战略需求,国防科技大学光电科学与工程学院联合清华大学、中国科学院共同组建全国首个光纤激光协同创新研究中心。

共建各方将以协同创新中心为载体,充分发挥各自优势,通过强强联合、协同创新,共同推进光纤激光技术发展,共同研制开发具有世界先进水平的光纤激光器。

1961 年，Snitzer 等人使用光纤作为增益介质制成了世界上第一台光纤激光器。随后，又采用侧面泵浦技术研制成功了 Nd3 掺杂的光纤激光器，这台光纤激光器的耦合效率非常低，激光输出光束质量也很差。后来，Burrus 和 Stone 使用轴向泵浦技术改善了泵浦耦合效率。1988 年，双包层光纤以及包层泵浦技术的出现为提高光纤激光器的输出功率和转换效率提供了有效途径。基于这种包层泵浦技术的光纤激光器在 1999 年实现了 110W 的单模连续激光输出，改变了光纤激光器只能作为一种小功率光子器件的历史。

高功率光纤激光技术取得的进展与大亮度光纤耦合激光二极管的技术进步紧密相关。一些新型高亮度二极管阵列具有增加的腔长，并与高亮度匹配微光学元件相结合，使单阵列中的多个发光点直接耦合入直径 100μm 的光纤中。而大于200W 的更高功率的泵浦模块，泵浦光纤的直径可以增加到 200μm，通过光学叠加和偏振耦合，将 6 至 10 个更多的阵列单元耦合到单根直径为 200μm、数值孔径 0.2 的泵浦传输光纤中。激光二极管通过一个较大的铜热沉散热，从而可以使用工业用水或高性能半导体制冷器进行冷却，而不需要使用冷却微通道叠层所需的去离子水。具有四个激光二极管阵列的 976nm 光纤耦合模块，能通过 200μm的光纤实现超过 200W 的功率输出。现在，基于标准商用光纤、组件和 976nm 激光二极管，实现输出波长 1μm 的千瓦级全光纤激光技术已经逐渐成熟。

随着大模场面积双包层掺杂光纤制造工艺和高亮度激光二极管泵浦技术的发展，单模双包层光纤激光器的单光纤输出功率正以惊人的速度提高。Gapontsev 指出，光纤激光器的输出功率水平按每年翻番的速度增长。英国 SPI 在 2003 年 8 月制成1kW(波长 1090nm,M2=3)的光纤激光器。他们于 2004 年 12 月研制成功 1.36kW连续光纤激光器，该激光器采用双端泵浦 12m 长的双包层光纤(纤芯径 40μm，NA<0.05)，采用两个 975nm 波长的 LD 泵浦模块，总泵浦功率为 1.8kW，斜率效率为 83%，输出激光波长在 1.1μm，光束质量因子 M2=1.4。他们还预言，通过对掺杂光纤更先进的设计和采用更高功率的泵浦源，单根光纤的输出功率可高达万瓦。2009 年 6 月，美国 IPG推出了上万瓦的单模光纤激光器产品，多模连续光纤激光器输出功率已达 50 kW，电光转换效率高于 25%。在光纤放大器方面，Nufern 也推出了 kW 量级窄线宽高功率单模光纤放大器系统。

但是，受限于掺杂光纤的非线性效应（如受激拉曼散射和受激布里渊散射）和纤芯的光热损伤等物理现象，光纤激光器的单光纤输出功率最终有限，而且光束质量也会随输出功率的提高而变差。为此，常采用激光器阵列合束的方法来获得更高激光输出功率，以满足工业加工、空间光通讯、遥感和国防等对大功率激光的需要。按激光器阵列单元之间的相位关系，激光合束技术分为相干和非相干合束两大类。其中，相干合束技术被认为是获得高功率、近衍射极限的光束输出的有效方法。已经有大量的实验对光纤激光器的相干合束进行了报道。如 2009 年，美国空军实验室的 Shay 等实验了 5 路百瓦级光纤放大器的相干合成，获得 725W 功率输出。然而，光纤激光阵列获得的相干合束功率仍没有突破千瓦量级。

相干合束技术由于要求激光器阵列元之间严格的满足相位关系而使系统结构复杂，不利于获得高相干性、高功率的激光合成输出，这一点可以从气体、化学、半导体和固体激光等各种激光光束相干合束的实验中分析得出。例如，美国Northrop Grumman 公布的 JHPSSL 项目于 2009 年通过 7 路 15kW 级固体激光阵列相干合束获得 105kW 高功率固体激光输出，但是实际的主瓣功率只有约 11.5kW，光束质量并不理想，只取得了部分相干合成的效果。因此，大功率激光的相干合束其实质上往往只是部分相干合束，对较大功率激光器阵列的光束合成高光束质量激光输出仍有待于突破。

非相干合束技术使激光器阵列的输出光束沿同一传输轴传播合为一束, 实现功率的标量叠加。这种技术对各阵元输出光束的相位没有限制，只要求激光阵列的波长处于组束元件的频谱范围内。2009 年，美国海军实验室 Sprangle 使用自适应的光学反射镜实现了 4 台光纤激光非相干合束输出 3kW 功率。同年，德国的Wirth 也实验了 4 路 MOPA 结构光子晶体光纤放大器的外腔非相干合束，实现2065W 激光输出。与相干合束相比，非相干合束方法结构简单、系统稳定且易于控制, 近年来逐渐成为光纤激光领域的研究热点。 解读词条背后的知识 迪亚哥谈激光切割技术 专注激光切割设备最新技术、维修保养知识等

全光纤激光器的特点和优势

全光纤激光器具有许多显著特点，这使其在众多方面展现出明显的优势。1. 增益介质的表面积/体积比大光纤激光器采用光纤做增益介质，具有很大的表面积/体积比，这使其具有非常好的散热性能，因此，及时非常高功率的光纤激光器，增益介质也不会受到热损害，一般无需对增益介质采取特别的散热措...

为激励高校积极投身实施创新驱动发展战略，教育部于2018年正式启动省部共建协同创新中心认定工作。在评审认定中，明确各协同创新中心研究方向应紧扣重大科学前沿、优秀文化传承创新或国家、行业产业及区域发展重大需求，已经承担了重大协同创新任务、开展了实质性产学研协同创新；协同增效明显、影响力大，政府、行业及社会认同度高；可持续发展能力强，具备实现未来协同创新目标的巨大潜力，协同创新空间广阔。

2019年9月，生活垃圾资源化处理省部共建协同创新中心被教育部认定为2019年度省部共建协同创新中心。 2100433B