自适应光剥离技术，突破掺铥光纤激光器散热瓶颈

掺铥光纤激光器，是指掺稀土元素铥的光纤作为增益介质的激光器，主要由泵浦源、耦合器、掺铥光纤、谐振腔等器件构成。由于增益物质为掺铥光纤，让激光器在转化效率、性能可靠、传输损耗、体积和集成度方面，具有显著优势。

 

掺铥光纤激光器的输出波长是1.6-2.2 µm波段（典型波长约2µm）。其核心特点和应用价值均源于该波长，对应了水分子的强吸收峰，让此类激光器在生物医疗、激光雷达、空间光遥感、激光通信等领域有不可替代的优势。

 

相比波长更常见的1μm掺镱激光器相比，较长波长使杂散光的危害相对较小。然而尽管存在这一优势，但十多年来，掺铥激光器的输出功率始终停留在约1kW的水平，主要受非线性效应和热量积聚的限制。以下这张表格，汇总了当前掺铥光纤激光器的主要应用场景，以及相对应的行业痛点和瓶颈。

 

 

行业痛点和技术挑战
掺铥激光器的功率提升，是行业遇到的最核心的技术瓶颈。今年上半年，德国弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所（IOF）（以下简称“IOF研究所”）在光谱合束技术方面取得进展，成功制造出一台输出功率达1.91kW的掺铥光纤激光器。

 

通过高度位移反射光栅，三束平行的独立激光被合成为一束输出功率创纪录的1.91kW的激光

 

但实验室的阶段性成功，并不代表商业领域的快速应用。要想让掺铥激光器走向更高功率、更稳定的商用，热量积聚是其主要障碍。高功率下产生的废热会导致光束质量下降、效率降低，甚至损坏光纤本身。

 

此外随着功率的提升，光纤中的受激布里渊散射和受激拉曼散射等非线性效应会加剧，消耗了泵浦能量，限制了功率的进一步提升和光束质量。在某些精密应用（如相干通信、高精度传感）中，需要窄线宽、高稳定性的单纵模激光输出。传统技术难以兼顾高性能与低成本、高稳定性，制约了其在尖端领域的应用。

 

掺铥光纤激光器的主要组成部分，包括一对定义激光谐振腔的光纤布拉格光栅反射器。HR：高反射镜。OC：输出耦合镜

 

创新解决方案
突破这一限制的一条可行途径是采用带内泵浦——从793nm的二极管泵浦转为1.9μm的激光泵浦。这一方法能够提高效率并减少发热，但也给光纤组件带来了全新挑战，尤其是包层光剥离器（CLS）。

 

包层光剥离器用于清除光纤外包层中的杂散光，否则会降低光束质量并可能损坏组件。对于带内泵浦的掺铥激光器，包层光剥离器必须能够处理长波长下的高功率。

 

传统的聚合物基包层光剥离器设计在此处失效。大多数聚合物在2μm波长处具有强吸收性，仅几瓦功率就会导致强烈的局部加热和迅速烧毁。而蚀刻或激光加工光纤等替代方案虽能承受更高功率，却难以剥离低角度光——这对泵浦激光器而言是一个关键问题。

 

新型自适应CLS设计能够在输入功率增加时（热成像图中自上而下），将热量沿CLS长度方向分散，而最高温度并未显著上升。通过将热量沿光纤均匀扩散，该设计防止了器件损坏并实现了创纪录的性能：在2μm波段剥离超过20W的信号光，并在793nm波段实现高达675W的剥离功率

 

现有的多材料包层光剥离器设计，虽然能够通过沿光纤方向设置折射率递增的多层结构来分散热量，但结构复杂且难以实现。据《先进光子学》期刊报道，IOF研究所的研究人员开发出一种更简洁的解决方案：一种具有自适应行为的单材料包层光剥离器。

 

该材料最初具有略高于玻璃的折射率，并借助强烈的负热光系数，能随温度升高而降低折射率。在低功率下，包层光剥离器能够有效剥离杂散光。随着功率增加，受热区域的剥离效率降低，剩余杂散光会被传递至温度较低的区域。

 

这种机制使热量沿光纤长度方向分散，而非集中在前端，从而避免灾难性的过热现象。研究团队通过仿真与实验验证，在125μm和400μm直径的光纤上针对所有相关铥激光波长验证了这一设计理念。

 

用于2μm波段多千瓦级光束合成的自研光学反射光栅

 

实验结果显示，该设计在2μm波长下剥离的信号光功率超过20W，在793nm波长下最高达675W，创造了单材料包层光剥离器设计的功率新纪录。

 

对光纤进行弯曲处理可进一步提升性能，实现超过40分贝的剥离效率。虽然该设计针对铥激光器开发，但其原理具有普适性——通过调节折射率参数，可适配其他激光系统，包括铒激光器和镱激光器。

 

专家认为，这项技术有望帮助突破掺铥光纤激光器长期存在的功率瓶颈，尤其在带内泵浦架构中具有重要意义。IOF研究团队的设计方案能够在挑战性波长下实现稳定高效的光剥离，为新一代光纤激光系统提供了切实可行，且可规模化应用的技术路径。

 

 

其他解决方案
除开发新型包层光剥离器等无源器件的解决方案外，有其他研究团队通过优化光纤设计，研发大模场面积光纤和特殊的掺杂结构（如嵌套环掺杂），从而实现有效分散热负荷，抑制非线性效应。

 

Mohamed Zaki

 

今年6月，由摩洛哥伊本佐尔大学理论与高能物理实验室Mohamed Zaki博士研究生为首的研究团队，在国际光纤科学与工程应用专业期刊《光纤技术》上发表了题为“嵌套环掺杂结构在高功率大模场面积掺铥光纤激光器中的热建模与性能分析”的论文。

 

研究团队采用多层法（M=100层）模拟LP₀₁/LP₁₁模式竞争，结合双向793nm泵浦和弯曲半径4cm的TDF-25/400光纤（NA=0.09）。通过有限元分析计算温度场，并引入实测的温度依赖性Tm³⁺交叉截面数据，验证了嵌套环掺杂对放大自发辐射抑制和热分布优化的双重作用。

 

通过所开发的、采用掺铥光纤激光器的连接工艺，可实现微流控组件的高精度焊接

 

模拟结果表明，优化后的大模场光纤嵌套环结构能有效管理热负荷，其局部最高热负荷值可降至仅26W/m，较传统结构显著降低，同时仍能保持激光器实现千瓦级输出所需的性能水平。

 

嵌套环掺杂大模场光纤实现了热-光性能的协同优化，为3kW级掺铥光纤激光器的功率扩展开辟了新路径。Mohamed Zaki等作者强调，该结构可推广至其他稀土掺杂光纤系统，推动高功率激光器在工业与医疗领域的应用。