主要產品/服務

產品名稱：5kW輕量化窄線寬光纖激光器

產品主要用途：高功率窄線寬光纖激光器用于光束合成領域，以實現超高功率光纖激光輸出

充實該產品的時間：2021年

創新發展能力

自十三五以來，中國工程物理研究院激光聚變研究中心投入數千萬科研經費，圍繞高功率窄線寬光纖激光技術進行攻關，先后解決了非線性抑制、模式不穩定抑制、光譜調控、熱管理等一系列關鍵問題，實現輸出指標的跨越式提升，并以此為依托，發表相關研究論文十余篇，授權專利十余篇，部分成果如圖1所示，形成了集理論設計、器件制作、系統集成與產品研發于一體的技術體系，也先后推出了高功率窄線寬光纖激光FL2000N20型、FL3000N20型、FL3500型、5kW輕量化樣機等一系列產品，并在多領域成功實現應用。

圖1. ?中物院激光聚變研究中心部分授權專利及部分刊出論文

在進行技術攻關的同時，中物院激光聚變研究中心積極申請并參與軍科委、裝發預研、國家自然科學基金和科技部重點研發計劃等項目，先后與國內多家優勢單位，例如中電46所、國防科技大學、武漢銳科光纖激光技術股份有限公司、江蘇師范大學和南京理工大學等進行技術合作，共同助力光纖激光技術的發展與應用。另外，中物院激光聚變研究中心也積極推動技術消化吸收和產學研合作，團隊孵化出“中久大光科技有限公司”（以下簡稱“中久大光”），公司產品覆蓋高功率連續、脈沖、超短脈沖光纖激光器和光纖器件等，可應用于工業加工、表面處理、3D打印、醫療、科研等各個領域。年批產能力達500余臺，年綜合產值達2億以上，成功將團隊領先的光纖激光技術轉化為可持續發展的經濟動力。在窄線寬光纖激光技術領域，中物院激光聚變研究中心與中久大光開展了多項技術成果轉化，其中包括多項窄線寬光纖激光技術和光纖器件研發技術，雙方已實現價值1100萬元的技術轉讓，目前正在進一步推進多項技術的轉化工作。雙方未來將長期持續深入合作關系，一方面推動研發團隊核心技術成果邁入市場，拓寬產品的應用渠道，接受市場的檢驗與反饋，從而助力更為貼近市場需求的技術優化與新技術研發。另一方面，逐步構建覆蓋光纖材料、器件、激光器的全鏈條研發與生產聯盟，共同組成“1+1＞2”的產學研完整體系。

創新成果

高功率窄線寬光纖激光器在引力波探測、光電對抗、激光雷達和基于光束合成的高能激光系統等領域具有廣闊的應用前景，近年來得到了各個研究機構的廣泛關注。然而光纖中的非線性效應和模式不穩定（MI）效應使激光器發生輸出效率降低、光束質量退化等現象，長期限制高功率窄線寬光纖激光器輸出功率的提升。

為攻克窄線寬光纖激光功率提升的物理受限因素，最終在產品上實現其輸出指標的有效突破，中物院激光聚變研究中心開展了高功率窄線寬光纖激光技術攻關。首先，在理論上建立了高功率窄線寬光纖激光器理論體系，揭示多個系統參數對非線性效應和MI效應的影響規律，厘清光纖激光系統參數對高功率窄線寬光纖激光功率提升的影響權重，從而提出可同時抑制非線性效應和MI效應的方案，并設計出適用于不同光譜線寬條件的窄線寬光纖激光方案，用于指導窄線寬單模光纖激光實驗。在理論研究的基礎上進行實驗研究，實驗結果驗證了理論研究結果的準確性，之后在工程上綜合考慮光、電、熱、機械結構等各方面因素，并結合體積、重量、溫度、濕度、振動等環境適應性要求，于2021年研制出了性能穩定、功重比高、環境適用性強的5kW窄線寬光纖激光器樣機，該樣機的主要性能參數如圖2所示，輸出功率5050W，中心波長1064nm，3dB光譜寬度為0.37nm，拉曼抑制比達45dB，光束質量M2小于1.4，重量僅21.0kg，功重比達240W/kg。

圖2. ?5kW輕量化窄線寬光纖激光器測試結果

該樣機為國內首次實現5kW級單模窄線寬光纖激光輸出，各項技術指標均達到行業領先水平。另外，為研發此光纖激光技術，中物院持續牽引國內優勢單位開展核心部組件研發，包括光纖研發、輕量化小型化相位調制種子源研發和輕量化LD研發等，推動了相關行業的發展。與同類型產品相比，該5kW級單模窄線寬光纖激光器具備全面的綜合的指標體系，其重量、功重比、線寬、光束質量參數均具備較強行業競爭力，可廣泛應用于多種途徑光束合成，從而應用于工業加工、國防軍事等領域。

科技創新成果轉化及行業貢獻

現階段，隨著我國工業能力不斷提升，市場對工業用光纖激光光源的性能參數提出更高的需求。例如，40kW超高功率激光光源能夠實現200mm厚度的不銹鋼切割，20kW激光光源能夠實現95mm厚度的不銹鋼切割，市場需求最為旺盛的20mm~50mm金屬材料切割，則需要10kW激光光源。盡管目前單鏈路光纖激光光源已在實驗室條件實現20kW輸出，但由于系統復雜性，目前尚不具備轉化為工業用激光光源的條件。因此，通過光束合成技術將多個激光子束合成為一束是產生數十kW級別激光光源的唯一有效途徑。為保證合成后激光的性能參數，要求激光子束為高功率、高光束質量、窄線寬激光器。本單位研制的5kW級輕量化窄線寬光纖激光器產品為光束合成提供了有效的光源保障條件，有助于提升光束合成的輸出功率，減小光束合成系統規模，促進高功率光纖激光器的發展應用。同時，本單位正逐步將實驗室條件下的高功率窄線寬高光束質量光纖激光向工業裝備轉化，前期也已開展部分其他型號激光器的開發與小批量研制，支撐了多個項目的順利開展，如圖3所示。

圖3. ?中物院激光聚變研究中心前期多型號激光器研制結果

基于高功率窄線寬光纖激光器系列產品，近幾年，項目團隊承擔了多項省部級重大專項任務，包括某高能激光系統研制、某特殊環境用激光器研制、某特定波長種子源研制等，完成了數種面向特殊應用的光纖激光器的研發與批量生產，在多領域成功實現應用。

本單位自2014年提出利用窄線寬光纖激光器進行光束合成以提升激光器輸出功率的方案，經過多年技術攻關解決了一系列關鍵問題，掌握了核心技術，并率先研制出5kW級輕量化窄線寬光纖激光產品，在技術突破和產品研發方面均達到行業領先水平，對實現更高功率光纖激光輸出起到了引領作用，推動了高功率光纖激光技術的發展，促進了高能激光器在軍事、工業等領域的應用。