长飞特种器件系列之四光纤激光器用高功率光纤光栅

3/19/2019，随着工业4.0的推进，光纤激光器已经成为最热门的研究领域之一，也成了工业加工的翘楚，市场容量逐年攀升。目前国产中低功率光纤激光器在工业光纤激光器市场表现出众，占有率超过了85%。但是由于泵源芯片和光纤光栅等关键器件仍面临技术瓶颈，长期依赖进口，严重制约了国产中高功率光纤激光器市场的发展。
 
图1 典型高功率光纤激光器结构图

光纤光栅利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯。光纤光栅与增益光纤组成谐振腔，在高功率光纤激光器中起到选模滤频的作用，光纤光栅一方面将信号光束缚在谐振腔内进行正反馈，一方面通过低反光栅端输出有效的信号激光。如图1所示，在高功率光纤激光器中有两种光纤光栅：一种是高反光纤光栅，典型光栅峰值反射率在99.5%以上；另外一种是低反光纤光栅，也称输出光栅，典型光栅峰值反射率在10%左右。目前，国产低功率光栅已经实现批量化生产，然而高功率光纤光栅由于其原料光纤尺寸较大以及高功率耐受性的限制，高功率光纤光栅的光纤增敏、光栅写入、光纤无损化处理以及高功率封装设计这些核心工艺点是高功率光纤光栅国产化的关键技术障碍。
 
图2 长飞千瓦级高功率光纤光栅产品

多年来，长飞光纤光缆股份有限公司（以下简称“长飞公司”）一直致力激光器用光纤光栅的国产化研究，在引进吸收香港理工大学的光栅刻写技术的基础上，不断创新，已逐步建立了248nm、266nm以及飞秒直写等光栅刻写平台和技术。产品包含光栅反射器、1μm泵浦光栅以及980nm泵浦光栅，覆盖了光通信、工业激光及光纤传感等多个领域。
经过多年光纤光栅的技术积累，长飞公司实现了大芯径光纤的光纤增敏、无损化光纤处理等技术的突破，保证了光纤光栅在制备过程中引入的附加损耗最小化，稳定高效的光栅刻写平台又保证了光栅产品的一致性。长飞公司基于市场应用，采用无源大模场20/400双包层光纤，成功研制出高功率光纤光栅（如图2所示）。光栅采用高功率封装结构，提升了光栅区域的散热效率，确保了光栅在高功率条件下的可靠性能。其基本型号见表1：

表1长飞高功率光纤光栅参数表

长飞公司通过改变光纤光栅的写入长度和刻写时间，不仅能够对光栅参数(光纤光栅的反射率、带宽、中心波长)进行精确控制，而且可以对不同的需求进行针对性的优化,其散热结构部分尺寸也可根据客户需求进行设计调整。图3为长飞公司典型的光纤光栅的测试图谱。
  
图3 长飞公司高功率光纤光栅光学参数图谱

高功率光纤光栅在高功率条件下的温度稳定性是市场应用关注的重点。我们对无源20/400双包层的高功率光纤光栅在1000W级的光纤激光器中工作的散热效率进行了测试。在测试中将光栅接入激光器，记录不同电流下的输出功率和高功率光栅区域的温度，在100%功率时停留120分钟，记录输出功率以及光纤光栅栅区温度。测试结果如图4所示。
 
图4 长飞高功率光纤光栅信号光（1080nm）测试结果

测试结果显示，长飞公司高功率光纤光栅在输出1100W的1080nm波段的激光能量时，光纤光栅栅区温度低于36℃，平均温升系数（相对于1080nm信号光）低于0.015W/℃，在高功率激光器中表现出了良好的温升特性，使用稳定可靠,达到国际先进水平。 
随着高功率光纤激光器产品格局的多样化发展，基于14/250以及25/400等双包层掺镱光纤的光纤激光器也将逐渐被广泛应用，长飞公司紧跟市场脚步，提供基于优质可靠的特种光纤、光纤光栅等产品的整体解决方案。