西安光机所高功率掺镱光纤助力激光产业升级

先进激光制造的精度突破、航空航天部件的精密加工、半导体晶圆的高效切割，背后都离不开高功率光纤激光器的支撑，而掺镱光纤作为其“心脏”，长期以来被国外技术牢牢垄断。近日，中国科学院西安光机所联合清华大学精密仪器系，在这一核心领域取得突破性进展，相关成果以简讯形式刊发于国内光学权威期刊《中国激光》，一举打破技术封锁，为国产高功率光纤激光器产业化按下“加速键”。

作为高功率光纤激光器的“心脏”，高功率掺镱光纤的性能直接决定着激光器的功率、效率与运行稳定性，其应用场景深度覆盖先进激光制造、航空航天、半导体加工等国家重大工程领域。当前，全 球高功率光纤激光器市场需求持续攀升，但我国高性能掺镱激光光纤长期被美国IPG、Nufern等国外企业垄断，核心产品进口受限，成为制约我国高功率光纤激光器产业链自主发展的“卡脖子”瓶颈，严重影响相关产业的升级步伐。

长期以来，高功率光纤激光器的功率提升始终面临行业共性困境：随着单纤激光功率不断攀升，热效应、受激拉曼散射（SRS）等问题会同步加剧，进而引发能量损耗、光谱展宽、光束质量下降等连锁反应，严重阻碍功率的进一步突破。尽管1018nm同带泵浦技术凭借亮度高、量子亏损小的优势，成为缓解这一困境的重要方向，但镱离子在该泵浦波长下吸收截面较低，需通过提高掺杂浓度抑制SRS效应，而高浓度掺杂又会诱发稀土离子团簇，增加光纤损耗与热负载，给光纤的设计与制备带来巨大技术挑战。

面对这一行业瓶颈，西安光机所特种石英光纤研究团队携手清华大学精密仪器系科研力量，经过长期攻关，创新采用高温气相沉积大芯径光纤预制棒制备技术，成功实现6mm以上大芯径预制棒的稳定制备，并研发出纤芯增益离子径向梯度掺杂的Al-P-Si体系掺镱（Yb-APS）光纤。为破解核心难题，团队构建三大技术创新体系：通过多次薄层沉积技术，协同调控增益与共掺离子分布，实现折射率剖面的精细化管控；依托径向梯度掺杂设计，有效降低纤芯中心热积累，实现泵浦吸收效率与热负荷分布的精准平衡；借助多组分共掺的层间补偿与匀化处理，精准调控镱离子局域配位环境与掺杂均匀性，最终成功制备出低损耗、高激光承载功率的48/400μm大模场高浓度掺镱光纤。

实打实的测试数据，充分彰显了此次技术突破的硬核实力。基于该掺镱光纤搭建的级联泵浦主振荡功率放大系统，在23.03 kW@1018nm泵浦功率注入下，成功实现20.38 kW激光功率输出；扣除残余泵浦后，拟合斜率效率高达87.1%，创下同功率水平下国内公开报道的最高效率纪录。值得关注的是，在最高输出功率状态下，系统未观测到任何SRS特征峰，拉曼抑制比达36.4dB，彻底破解了“激光功率越高，光纤越易烧毁、光束畸变、杂光增多”的行业痛点，实现了功率与稳定性的双重突破。

“此次突破的核心意义，在于成功攻克了20kW级单光纤高功率激光器中，增益光纤热管理与非线性效应协同抑制的技术瓶颈。”论文第一作者、西安光机所折胜飞副研究员表示，这一突破不仅为国产高功率掺镱光纤的设计与制备提供了全新技术路径，更实现了国产高功率激光核心材料的关键自主突破，将为我国高功率光纤激光技术在先进制造等关键领域的落地应用提供有力支撑。

据悉，该研究由西安光机所侯超奇研究员领衔的团队主导完成。此次技术突破具有不可替代的现实价值。高功率掺镱光纤的国产化落地，将大幅降低我国高功率光纤激光器对进口核心器件的依赖，有效推动激光制造装备成本下行，助力我国激光制造产业向高精度、高效率、智能化方向转型升级。其应用范围将全面覆盖厚板金属切割、深熔焊接、精密微加工、金属3D打印等多个领域，为航空发动机关键部件、折叠手机转轴、碳化硅晶圆等产品的精密加工提供核心技术支撑。