2020年全球激光器市場銷售額160.1億美元，2021年預(yù)計約184億美元，15%增長；2020年我國光纖激光器市場銷售額94.2億元，2021年預(yù)計108.6億元。在我國從事超快研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)超過40家，2021年預(yù)計以ps/fs為主要產(chǎn)品的市場規(guī)模為32.6億元。

圖1. 2015年~2021E年中國超快激光市場（單位：億元 《2021中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》）

1985年的啁啾脈沖放大技術(shù)，1988年的雙包層光纖技術(shù)，1997年的大模場光纖概念的提出，以及分脈沖放大、預(yù)啁啾管理放大、相干脈沖堆積等技術(shù)，都對超快光纖激光的發(fā)展有著重要的影響。隨著超快光纖激光技術(shù)的發(fā)展，超快光纖激光器已經(jīng)成為超快激光市場的主力軍，在科研、生產(chǎn)、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著作用，尤其在精密/微納加工、高脈沖能量源、微觀動力研究、天文科學(xué)等方面更有著不可替代的優(yōu)勢。

圖2. 高功率超快激光發(fā)展[1]

圖3. 半導(dǎo)體可飽和吸收體SESAM線性腔種子源結(jié)構(gòu)

工業(yè)上使用的器件主要是光纖色散管理器件，比如光纖的脈沖展寬器和脈沖壓縮光柵，為了抑制非線性效應(yīng)并有效地進(jìn)行功率放大，在時域上對脈沖進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)滿足要求的高峰值高能量輸出。

展寬之后的脈沖進(jìn)入超快光纖放大器，其增益主體是摻雜的雙包層光纖，但是隨著應(yīng)用對高峰值高能量以及單模、保偏等方面的需求，傳統(tǒng)的20/125DC，30/250DC雙包層光纖在百uJ量級會出現(xiàn)模式跳變，阻礙功率進(jìn)一步提高。因此具有更多波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同特點(diǎn)的增益光纖，如大模場光子晶體光纖PCF，錐形光纖Tapered fiber，手性纖芯耦合光纖3C等，也逐步被應(yīng)用到工業(yè)產(chǎn)品當(dāng)中。

光子晶體光纖具有大模場，支持單模傳輸和保偏的特點(diǎn)。PCF又被稱作微結(jié)構(gòu)光纖，橫截面上有較復(fù)雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長大致在同一量級且貫穿器件的整個長度，光波可以被限制在低折射率的光纖芯區(qū)傳播。目前PCF和普通石英光纖的熔接已經(jīng)比較成熟（圖4），利用標(biāo)準(zhǔn)商用的特種熔接機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)良好的模場匹配及低損耗傳輸，這也滿足了全光纖結(jié)構(gòu)的工業(yè)產(chǎn)品需求。目前的商業(yè)40um芯徑PCF已經(jīng)以O(shè)EM的形式模塊化，更便于集成和產(chǎn)品化（圖5）。

圖4. 單模雙包層光子晶體光纖，PCF與石英光纖的低損耗熔接

圖5. 商用光子晶體光纖模塊

隨著光子晶體光纖技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了商用化的更大模場的棒狀PCF（Rod type PCF），最早由Limpert在2005年首次提出[2]，之后被應(yīng)用到各個實(shí)驗(yàn)中獲得了非常好的效果[3]。

2010年出現(xiàn)了大孔間距PCF（即large pitch fiber, LPF）,其孔間距遠(yuǎn)大于波長的十倍，可以實(shí)現(xiàn)更高功率[4]。

圖6. Limpert實(shí)驗(yàn)中的PCF棒狀光纖

圖7. 135um芯徑的LPF和普通7um芯徑PCF對比[4]

圖8. 商用光子晶體光纖棒

2021年中科院物理所利用大模場光子晶體光纖棒（rod-type PCF），以預(yù)啁啾管理放大和雙通放大技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了55fs，100W的超快激光輸出【6】。

圖9. 雙通預(yù)啁啾放大實(shí)驗(yàn)及光譜/脈沖圖

棒狀PCF不僅成為工業(yè)超快光纖激光放大的重要選擇之一，在科研項(xiàng)目中，也為多光路的光束合成，實(shí)現(xiàn)更高功率提供了很好的條件。

2016年，Tunnerman組利用8路空間相干合成和4個時間分脈沖放大的方案，將8束激光空間相干合成為一束光，再通過時間延遲，將之前分離的脈沖合并為一個脈沖。實(shí)驗(yàn)中預(yù)放大級用的芯徑為72um的LFP光子晶體光纖棒，8路主放大級分別使用了8根1.1m長芯徑為81um的LFP棒。最終實(shí)現(xiàn)了平均功率700W，脈沖能量12mJ，脈寬262fs的超短脈沖輸出，合成效率78%[7]。

圖10. 多路空間相干合成與分脈沖放大裝置

圖11. 商用錐形光纖及其OEM模塊

2018年SPIE報道了利用錐形光纖將35ps，200kHz種子源放大到50uJ，經(jīng)脈沖壓縮至1ps后得到16MW峰值功率，M2<1.2[9]。

2020年報道的550W全光纖單頻放大器，就是用輸入芯徑和包層分別為36.1um和249.3um，輸出芯徑57.8um和397.3um，增益光纖長度1.3m，錐區(qū)長度0.74m的錐形光纖獲得。最終光光轉(zhuǎn)換效率80%，線寬45MHz[8]。

圖12. 550W全光纖單頻放大器功率及線寬

2021年芬蘭Tampere大學(xué)Valery Filippov教授課題組報道了旋轉(zhuǎn)型錐形光纖（ST-DCF），討論了其與保偏/非保偏錐形光纖的偏振特性，以及不同旋轉(zhuǎn)螺距ST-DCF的輸出光特性，也為未來更復(fù)雜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)錐形光纖的應(yīng)用提供了重要的參考數(shù)據(jù)【10-11】。

圖13. 三種不同錐形光纖以及不同螺距的旋轉(zhuǎn)錐形光纖測試

2007年美國Michigan大學(xué)超快光學(xué)研究中心提出了手性耦合纖芯光纖（3C Chirally-coupled-core），以其能夠?qū)崿F(xiàn)高能量、高峰值功率、單模、保偏的特性逐漸受到人們關(guān)注。光纖的石英包層內(nèi)有兩條纖芯，一條是沿軸向分布的中央纖芯，芯徑較大，一般在30um以上，用于信號光的傳輸;另一條是偏離中心軸、圍繞中央纖芯螺旋分布的側(cè)芯，芯徑比中央纖芯小得多，只有十幾微米，主要作用是控制中央纖芯的模式，將高階模耦合進(jìn)側(cè)芯并對其產(chǎn)生高損耗(大于100dB/m)，使得中央纖芯中的基?？梢詷O低損耗地傳輸(小于0.1dB/m)。

圖14. 3C手性耦合纖芯光纖

Michigan大學(xué)超快光學(xué)研究中心多年在3C光纖的研究中獲得了很多可觀的數(shù)據(jù)。

2009年，以雙包層摻鐿3C光纖搭建放大系統(tǒng)來探究其放大特性[12]。該實(shí)驗(yàn)得到了250W的連續(xù)功率輸出和150W輸出脈沖10ns，脈沖能量達(dá)到0.6mJ，峰值功率60kW，放大斜率效率達(dá)到74%。同樣，在所有功率水平下，系統(tǒng)輸出光斑均為單模。

2010年，該團(tuán)隊(duì)將3C光纖應(yīng)用于主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu)中來提升系統(tǒng)輸出功率[13]。實(shí)驗(yàn)以2.7m長空氣包層摻鐿 3C光纖為功率放大器的增益介質(zhì)，用2.2W信號光激勵該光纖，實(shí)現(xiàn)了511W 的MOPA結(jié)構(gòu)功率輸出，放大器斜率效率為70%，同時觀測到輸出光束為單頻單橫模的線偏振光，具有大于15dB 的消光比。

2012年，該研究中心Thomas Sosnowski等人[14]通過33/250um 3C光纖實(shí)現(xiàn)了257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脈沖；86.5uJ，575kW峰值功率脈沖，以及利用55um 3C光纖實(shí)現(xiàn)了41W，8.3mJ，640kW的高能量脈沖輸出。

圖15. 33/250um 3C光纖輸出257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脈沖

圖16. 33/250um 3C光纖輸出86.5uJ，575kW峰值功率脈沖

圖17. 55um 3C光纖實(shí)現(xiàn)了41W，8.3mJ，640kW的高能量脈沖輸出

2018年Carnegie Mellon大學(xué)的Jinxu Bai等人[15]用15mW，25ns，150nJ，100kHz，1064nm種子源通過兩級2.5m和3m的3C光纖放大，獲得了121.2W，單脈沖能量12mJ，峰值功率50kW，M2<1.2脈沖輸出。

圖18. 級聯(lián)3C光纖輸出高功率、高能量脈沖

3C光纖用于超短脈沖放大的同時，也可用于窄線寬連續(xù)光的功率放大，利用其穩(wěn)定單模輸出以及對非線性效應(yīng)不敏感的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單色性更好、光束質(zhì)量更好，高功率更高的連續(xù)光輸出，用于如引力波探測、多光束合成等方面的研究。

2018年，密歇根大學(xué)聯(lián)合nLight公司，由M. Kanskar和A. Galvanauskas等人分別運(yùn)用Yb20/400/0.064 DC LMA光纖和Yb 21.9/400/0.059 DC3C光纖對單頻線偏振種子源進(jìn)行功率放大，泵浦源為鎖波長976nm模塊，分別實(shí)現(xiàn)了2.4kW和2.6kW[16]。種子源為1064nmDFB通過相位調(diào)制器進(jìn)行偽隨機(jī)信號調(diào)制適當(dāng)展寬線寬。MFA實(shí)現(xiàn)全光線結(jié)構(gòu)。當(dāng)種子源20GHz時，實(shí)驗(yàn)中Yb20/400LMA光纖在2.2kW時出現(xiàn)了TMI，而3C光纖彎曲直徑30cm，在抑制高階模的同時在2.6kW時沒有TMI產(chǎn)生。

圖19. 3C光纖放大DFB窄線寬種子源結(jié)構(gòu)圖

圖20. Yb20/400 LMA光纖放大在2.2kW出現(xiàn)TMI

 Yb21.9/400 3C光纖放大在2.6kW輸出且未出現(xiàn)TMI

2019年，Sven Hochheim等人用nLight的3C光纖(Yb700-34/250DC-3C)，制作了用于引力波探測的，100W單頻單模保偏光纖放大器。其中種子源為2W的kHz線寬保偏連續(xù)光，通過模場匹配器MFA的實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)103W，光光轉(zhuǎn)換效率71%，偏振消光比17.6dB[17]。

圖21. Yb34/250 3C光纖放大實(shí)現(xiàn)單頻100W結(jié)構(gòu)圖

連續(xù)高功率光纖激光器已經(jīng)發(fā)展了十幾年，技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化均已成熟，超快光纖激光器正在經(jīng)歷連續(xù)激光的發(fā)展過程，只不過速度更快，周期更短，在市場上已經(jīng)出現(xiàn)第一批專業(yè)的生產(chǎn)商，工藝也日趨成熟化，加之超快光纖技術(shù)的發(fā)展，不斷有新的材料和器件被推出，無論是大模場光子晶體光纖PCF，錐形光纖Tapered fiber，還是手性纖芯耦合光纖3C，不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光纖都各有特點(diǎn)，對于工業(yè)或是科研領(lǐng)域，都直接有力地支撐了國內(nèi)超快光纖市場的崛起。相信隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，我國的超快光纖激光也會一騎絕塵，走在世界前列。

1.高功率超快光纖激光技術(shù)發(fā)展研究，中國激光，48，11，2021.

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