自適應光剝離技術，突破摻銩光纖激光器散熱瓶頸

摻銩光纖激光器，是指摻稀土元素銩的光纖作為增益介質的激光器，主要由泵浦源、耦合器、摻銩光纖、諧振腔等器件構成。由于增益物質為摻銩光纖，讓激光器在轉化效率、性能可靠、傳輸損耗、體積和集成度方面，具有顯著優勢。

 

摻銩光纖激光器的輸出波長是1.6-2.2 µm波段（典型波長約2µm）。其核心特點和應用價值均源于該波長，對應了水分子的強吸收峰，讓此類激光器在生物醫療、激光雷達、空間光遙感、激光通信等領域有不可替代的優勢。

 

相比波長更常見的1μm摻鐿激光器相比，較長波長使雜散光的危害相對較小。然而盡管存在這一優勢，但十多年來，摻銩激光器的輸出功率始終停留在約1kW的水平，主要受非線性效應和熱量積聚的限制。以下這張表格，匯總了當前摻銩光纖激光器的主要應用場景，以及相對應的行業痛點和瓶頸。

 

 

行業痛點和技術挑戰
摻銩激光器的功率提升，是行業遇到的最核心的技術瓶頸。今年上半年，德國弗勞恩霍夫應用光學與精密工程研究所（IOF）（以下簡稱“IOF研究所”）在光譜合束技術方面取得進展，成功制造出一臺輸出功率達1.91kW的摻銩光纖激光器。

 

通過高度位移反射光柵，三束平行的獨立激光被合成為一束輸出功率創紀錄的1.91kW的激光

 

但實驗室的階段性成功，并不代表商業領域的快速應用。要想讓摻銩激光器走向更高功率、更穩定的商用，熱量積聚是其主要障礙。高功率下產生的廢熱會導致光束質量下降、效率降低，甚至損壞光纖本身。

 

此外隨著功率的提升，光纖中的受激布里淵散射和受激拉曼散射等非線性效應會加劇，消耗了泵浦能量，限制了功率的進一步提升和光束質量。在某些精密應用（如相干通信、高精度傳感）中，需要窄線寬、高穩定性的單縱模激光輸出。傳統技術難以兼顧高性能與低成本、高穩定性，制約了其在尖端領域的應用。

 

摻銩光纖激光器的主要組成部分，包括一對定義激光諧振腔的光纖布拉格光柵反射器。HR：高反射鏡。OC：輸出耦合鏡

 

創新解決方案
突破這一限制的一條可行途徑是采用帶內泵浦——從793nm的二極管泵浦轉為1.9μm的激光泵浦。這一方法能夠提高效率并減少發熱，但也給光纖組件帶來了全新挑戰，尤其是包層光剝離器（CLS）。

 

包層光剝離器用于清除光纖外包層中的雜散光，否則會降低光束質量并可能損壞組件。對于帶內泵浦的摻銩激光器，包層光剝離器必須能夠處理長波長下的高功率。

 

傳統的聚合物基包層光剝離器設計在此處失效。大多數聚合物在2μm波長處具有強吸收性，僅幾瓦功率就會導致強烈的局部加熱和迅速燒毀。而蝕刻或激光加工光纖等替代方案雖能承受更高功率，卻難以剝離低角度光——這對泵浦激光器而言是一個關鍵問題。

 

新型自適應CLS設計能夠在輸入功率增加時（熱成像圖中自上而下），將熱量沿CLS長度方向分散，而最高溫度并未顯著上升。通過將熱量沿光纖均勻擴散，該設計防止了器件損壞并實現了創紀錄的性能：在2μm波段剝離超過20W的信號光，并在793nm波段實現高達675W的剝離功率

 

現有的多材料包層光剝離器設計，雖然能夠通過沿光纖方向設置折射率遞增的多層結構來分散熱量，但結構復雜且難以實現。據《先進光子學》期刊報道，IOF研究所的研究人員開發出一種更簡潔的解決方案：一種具有自適應行為的單材料包層光剝離器。

 

該材料最初具有略高于玻璃的折射率，并借助強烈的負熱光系數，能隨溫度升高而降低折射率。在低功率下，包層光剝離器能夠有效剝離雜散光。隨著功率增加，受熱區域的剝離效率降低，剩余雜散光會被傳遞至溫度較低的區域。

 

這種機制使熱量沿光纖長度方向分散，而非集中在前端，從而避免災難性的過熱現象。研究團隊通過仿真與實驗驗證，在125μm和400μm直徑的光纖上針對所有相關銩激光波長驗證了這一設計理念。

 

用于2μm波段多千瓦級光束合成的自研光學反射光柵

 

實驗結果顯示，該設計在2μm波長下剝離的信號光功率超過20W，在793nm波長下最高達675W，創造了單材料包層光剝離器設計的功率新紀錄。

 

對光纖進行彎曲處理可進一步提升性能，實現超過40分貝的剝離效率。雖然該設計針對銩激光器開發，但其原理具有普適性——通過調節折射率參數，可適配其他激光系統，包括鉺激光器和鐿激光器。

 

專家認為，這項技術有望幫助突破摻銩光纖激光器長期存在的功率瓶頸，尤其在帶內泵浦架構中具有重要意義。IOF研究團隊的設計方案能夠在挑戰性波長下實現穩定高效的光剝離，為新一代光纖激光系統提供了切實可行，且可規?；瘧玫募夹g路徑。

 

 

其他解決方案
除開發新型包層光剝離器等無源器件的解決方案外，有其他研究團隊通過優化光纖設計，研發大模場面積光纖和特殊的摻雜結構（如嵌套環摻雜），從而實現有效分散熱負荷，抑制非線性效應。

 

Mohamed Zaki

 

今年6月，由摩洛哥伊本佐爾大學理論與高能物理實驗室Mohamed Zaki博士研究生為首的研究團隊，在國際光纖科學與工程應用專業期刊《光纖技術》上發表了題為“嵌套環摻雜結構在高功率大模場面積摻銩光纖激光器中的熱建模與性能分析”的論文。

 

研究團隊采用多層法（M=100層）模擬LP₀₁/LP₁₁模式競爭，結合雙向793nm泵浦和彎曲半徑4cm的TDF-25/400光纖（NA=0.09）。通過有限元分析計算溫度場，并引入實測的溫度依賴性Tm³⁺交叉截面數據，驗證了嵌套環摻雜對放大自發輻射抑制和熱分布優化的雙重作用。

 

通過所開發的、采用摻銩光纖激光器的連接工藝，可實現微流控組件的高精度焊接

 

模擬結果表明，優化后的大模場光纖嵌套環結構能有效管理熱負荷，其局部最高熱負荷值可降至僅26W/m，較傳統結構顯著降低，同時仍能保持激光器實現千瓦級輸出所需的性能水平。

 

嵌套環摻雜大模場光纖實現了熱-光性能的協同優化，為3kW級摻銩光纖激光器的功率擴展開辟了新路徑。Mohamed Zaki等作者強調，該結構可推廣至其他稀土摻雜光纖系統，推動高功率激光器在工業與醫療領域的應用。