项目简介

激光制造是21世纪的先进制造和工业强国的基础，已成为制造强国提升制造业水平的革命性手段。中国是世界制造大国，激光制造推动我国制造业转型升级迈向制造强国起到不可替代作用。由于光纤激光器的增益介质、谐振腔、泵浦源都由光纤焊接在一起，没有镜片，极大地提高了激光器的稳定性，降低了制造成本，已成为激光制造的“心脏”。

在国家和企业支持下，项目经过13年“产学研用”联合攻关，全方位开展了基础理论、核心材料、核心器件、工艺方法、设计制造等创新研究，攻克了抑制光致暗化和拉曼效应激光光纤技术、高功率锁波长泵浦源技术、超高功率高亮度光纤合束技术等国际难题，颠覆了国际激光光纤包层结构为八边形的技术，创新发明了圆形改性包层结构的大模场双包层激光光纤，形成了中国特色的工业光纤激光器体系。

1)突破了激光光纤光致暗化和拉曼效应技术瓶颈。提出基于粒子数反转模型光致暗化快速测试新方法；建立了基于氧缺陷控制的光致暗化理论模型；创新设计了四氟柱嵌入内包层圆形结构的Yb/Ce/P/Al共掺双包层大模场激光光纤。包层泵浦光吸收率、拉曼阈值和光致暗化比国际通用八边形分别提高67%、31%和降低18.5dB/m。

2)创建高功率锁波长半导体激光泵浦源新技术。建立新型梯度函数控制变温变速MOCVD外延技术，开发30、50W/9XXnm激光单管芯片，解决激光芯片卡脖子问题。提出VBG外腔反馈的增益与损耗的理论模型，发明基于温度控制芯片输出模式反馈的VBG波长锁定技术和斜面式多管芯+偏振合束技术。开发了200μm芯径输出功率710W的波长锁定半导体激光泵浦源。产品性能国际领先。

3）攻克超高功率高亮度光纤合束难题。首创激光精准剥离光纤包层技术，克服了国际传统的氢氟酸腐蚀带来的光纤表面损伤，突破了提高合束亮度的技术瓶颈，研发了合束输出10kW、20kW、30kW、100kW等系列工业光纤激光器产品，其中100kW的耦合效率和亮度比国际同类产品分别提高4.2%和61.25%。

授权发明专利157项（海外专利3项），软件著作权151项,专著1部，国标/行标/团标等10项。省部级特等奖1项、一等奖1项。建成中国第一、全球第二的光纤激光产业基地，自主研制生产了6大类200多个品种高性能工业光纤激光器，年产能15万台。推动工业光纤激光器价格降低＞20倍，市场扩大＞100倍。工业光纤激光器及其激光制造装备全球用户达2万多家，包括欧美等100多个国家和地区，中国市场份额第一，带动我国光纤激光器进入百亿、激光装备进入千亿、激光应用进入数万亿元市场。项目中，仅光纤激光器6年累计实现销售收入合计133.39亿元，利润总额合计21.39亿元，纳税总额合计8.00亿元。深刻改变了全球激光产业竞争格局，带动了我国工业光纤激光器和激光制造装备跨越式发展，并推广应用到航空、航天、汽车、船舶、能源、核工业等国家重大领域。

主要创新设计特点

创新点1：突破激光光纤光致暗化和拉曼效应技术瓶颈

创新思路与技术：

1）发明光致暗化快速测试技术。传统的光致暗化测量是通过制成一台激光器后，经过1000小时以上拷机才能获得数据，致使激光增益光纤掺杂组分和浓度优化周期长。本项目提出了基于粒子数反转模型的光致暗化测试新方法，发明了光致暗化快速测试技术，30分钟可获得光纤光致暗化数据，将激光增益光纤的优化设计测试时间缩短了2000倍（图1）。

2）首创抑制光致暗化的多元纤芯掺杂组分。 建立了基于氧缺陷控制的光致暗化理论模型；提出了利用Al、P和Ce增加Yb溶解度，降低氧空位缺陷周围平均Yb粒子数的抑制光致暗化新方法；首次研发了Yb/Ce/P/Al共掺的双包层大模场激光光纤，光致暗化效应比国际商用水平降低18.5dB/m（图2）。

3）发明四氟柱嵌入内包层的圆形结构光纤。包层泵浦光吸收系数、拉曼阈值和熔接损耗与光纤包层结构有关。提出了圆形内包层结构嵌入石英棒改进泵浦光吸收系数的理论模型，发明了四氟柱嵌入内包层的圆形结构光纤，包层泵浦光吸收系数、拉曼阈值和熔接损耗分别比八边形包层结构激光光纤提高67%、31%和降低80%（图3）。

本创新研发和规模生产圆形改性， Yb、Ce、P、Al共掺纤芯组分的激光光纤产品，颠覆了国际传统商用八边形的光纤结构，在国际上，首次实现通过增益光纤同时抑制光致暗化和拉曼效应，提高了单纤输出功率，达到22kW。

主要知识产权有：ZL201110176822.1；ZL201510017430.9；US009739937B2；ZL201510293378.X；ZL201610765314.X；ZL201811395838.X；ZL201910152297.6。

创新点2：创建高功率半导体激光泵浦源波长锁定新技术

创新思路与技术：

1）设计和开发单管芯30W、50W半导体激光芯片。提出梯度载流子非对称大光腔半导体激光芯片设计技术，建立新型梯度函数控制变温变速MOCVD外延工艺，开发了30W、50W/9XXnm激光单管芯片，解决了激光芯片卡脖子问题（图4）。 

2）提出基于温度控制芯片输出模式反馈的VBG波长锁定技术。建立VBG外腔反馈的增益和损耗理论模型，（式1、式2）。

其中R_eff(λ)是芯片增加VBG外腔反馈后的等效前腔面反射率，α是VBG外腔反馈后的损耗。提出了基于温度控制芯片输出模式反馈的VBG波长锁定技术，实现全电流（2A-24A）和温度20-30℃的波长锁定，波动≤±1nm，优于国际同类产品水平（图5）。

3）发明斜面式多管芯偏振合束技术。提出斜面式多管芯+偏振合束技术，芯片数量增加一倍，功率提高一倍（图6）；200μm芯径锁波长输出功率710W，国际领先。

本创新集MOCVD外延生长、晶圆制造、器件组装、测试老化于一体（图7）。实现了半导体激光泵浦源的国产设备自动化生产，成本降低20倍以上，提升了国产工业光纤激光器的国际竞争力。

主要知识产权有：ZL201710295495.9；ZL201310322539.4；ZL201310322502.1；ZL201410560150.8；ZL201410190470.9。

创新点3：攻克光纤合束提升功率和亮度难题

创新思路与技术：

1）建立了光纤激光功率合束器的理论模型和仿真系统。提出了基于最好光束质量的光纤激光功率合束器理论模型（式3），通过仿真系统（图8）和实验，找到提高合束效率和功率的关键技术即输入光纤包层剥离技术。

2）首创激光精准剥离光纤包层新技术。研发了激光精准剥离光纤包层新技术，与国际传统的氢氟酸腐蚀光纤包层技术比较（图9），耦合效率提高4.2%,亮度提升61.25%。开辟了光纤合束实现高亮度超高功率的新途径。

在此基础上，研发了系列超高功率工业光纤激光器产品（30kW、40kW、60kW、100kW等）。其中100kW超高功率高亮度工业光纤激光器（图10），输出功率103.2kW，光束质量BPP为19.28mm*mrad，24小时连续工作功率波动±1.1%，激光亮度国际领先。 

主要知识产权有：ZL201210306374.7；ZL201410628299.5；ZL201811152087.9；ZL201910628330.8；ZL201910628314.9。

创新点4：建成光纤激光器自动化生产线

创新思路与技术：

1）研发了自动化生产、检测设备和工装。针对光纤激光器的光学模块是由激光光纤、泵浦源、光纤器件等通过熔接组成，研发近100种专用自动化生产、检测设备和工装（图11）。

2）研发了一系列生产线集成控制系统。在制造工艺、任务执行、生产节拍等研究基础上，研发了工业激光器生产线集成控制系统（图12）。在多点温度检测，输出激光参数检测等基础上，建立了激光器满功率运行的烤机老化监控系统（图13）。

主要知识产权有：ZL202010306372.2；ZL202010306393.4；ZL202111524471.9；ZL202111524517.7；ZL202010590797.0。

与国内外同类产品或技术的比较 

高功率工业光纤激光器的技术水平体现在核心材料、关键器件和产品性能指标上，包括：抑制光致暗化和拉曼效应激光光纤、高功率锁波长半导体激光泵浦源、激光功率光纤合束技术和超高功率激光器工作性能指标等。

（1）抑制光致暗化和拉曼效应激光光纤技术

国际上商品化的双包层大模场激光光纤都是采用八边结构，主要供应商是美国的Nufern公司和OFS公司。表1给出了20/400μm激光光纤技术指标对比情况；本项目首创的四氟柱嵌入内包层圆形结构的Yb/Ce/P/Al共掺大模场光纤比国际通用的八边形结构掺Yb大模场光纤，包层泵浦光吸收率提高67%(976nm)，拉曼非线性阈值提高31%，光致暗化降低18.5dB/m。达到国际领先水平。

（2）高功率锁波长半导体激光泵浦源技术

目前国际上具有一定规模的半导体激光泵浦源生产的企业有三十多家，最具代表性的包括美国、德国、日本和中国。主要技术指标包括泵浦源的输出光纤芯径、数值孔径（NA）、输出功率、波长稳定的温度范围和电流范围。表1给出了200μm/NA0.22输出光纤的泵浦源主要指标对比情况：在采用单管激光芯片和锁波长的相同条件下，本项目输出功率提高18%，亮度提高43%，波长稳定温度范围增加10ºC，并实现了全电流波长稳定，优于国际同类产品。

（3）光纤合束技术和合束100kW工业光纤激光器

目前，国际上生产100kW工业光纤激光器并得到应用的厂家只有本项目和美国的IPG公司。本项目采用激光刻蚀包层技术，IPG采用传统的氢氟酸腐蚀技术。表3给出了光纤合束100kW工业光纤激光器的主要技术指标对比，除了电光转换效率低于IPG外，其他技术指标都超越IPG，如耦合效率提高4.2%，输出光束质量提高20%，输出激光亮度提高69%。