高功率光纖激光器專利技術(shù)綜述

郜慧斌 宋海榮

摘要：高功率光纖激光器憑借其優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于光通信、醫(yī)療和國防等領(lǐng)域，是實現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的核心器件。本文介紹了高功率光纖激光器專利申請情況，重點分析了高功率光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)，以期對相關(guān)企業(yè)、科研院所研究人員有所借鑒。

關(guān)鍵詞：光纖激光器;高功率;增益光纖;泵浦;激光組束

中圖分類號：TN248 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）27-0039-03

Summary of Patent Technology of High-Power Fiber Lasers

GAO Huibin? SONG Hairong

（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office， CNIPA， Zhengzhou Henan 450018）

Abstract： High-power fiber lasers are widely used in optical communication， medical and defense fields due to their excellent characteristics， and are the core devices for implementing all-optical networks. This paper introduces the patent application of high-power fiber lasers， and focuses on the analysis of the key technologies of high-power fiber lasers. It will provide technical support for the reference for enterprises and research institutes to understand the status of patent applications.

Key words： fiber laser; high-power; gain fiber; pump; laser combination

1 概述

自1960年梅曼成功地演示了紅寶石激光器以來，激光器得到快速發(fā)展。其中具有高效率、低閾值、低損耗等特點的光纖激光器是研究的熱點之一，并且已在光通信、傳感和國防軍事等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1]。

光纖激光器是指采用光纖作為介質(zhì)的激光器，可分為基于非線性效應(yīng)的光纖拉曼激光器和基于受激輻射的摻雜光纖激光器，其中以稀土摻雜的光纖激光器最為重要，因此，本文僅討論這類激光器[2]。

近年來，光纖激光器輸出功率快速增長，目前已達(dá)100kW級。高功率光纖激光器各項關(guān)鍵技術(shù)研究取得了較大突破，如新型結(jié)構(gòu)設(shè)計的摻雜光纖（雙包層光纖、光子晶體光纖等）;端面、側(cè)面泵浦等多種耦合技術(shù);激光組束技術(shù)等。

2 專利申請總體情況

本文使用國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索系統(tǒng)S系統(tǒng)，選取關(guān)鍵詞[“高功率”“大功率”“高能量”“high power”“high energy”]和分類號[H01S3/067]，檢索CNABS和DWPI數(shù)據(jù)庫獲得的專利申請作為研究對象（檢索日期：2019年5月10日）。由于未申請?zhí)崆肮_的發(fā)明專利申請在申請日后18個月才公開，因此將導(dǎo)致部分專利申請由于未公開而不在本次文獻(xiàn)采集之列。

2.1 專利申請量分析

圖1示出了高功率光纖激光器歷年專利申請量分布。就全球?qū)＠暾埗裕?0世紀(jì)90年代之前，專利申請量較少，原因在于光纖激光器尚處于基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)探索階段，光纖損耗大、光纖材料制造等技術(shù)進(jìn)展緩慢，限制了其發(fā)展，高功率光纖激光器技術(shù)處于萌芽期。20世紀(jì)90年代中期之后，隨著一系列關(guān)鍵技術(shù)研究實現(xiàn)突破，帶動了高功率光纖激光器整體上獲得較大發(fā)展，專利申請量呈快速增長態(tài)勢，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著EDFA投入商業(yè)化應(yīng)用，高功率光纖激光器行業(yè)呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展，高功率光纖激光器技術(shù)處于快速發(fā)展期。直到2012年前后，專利申請量逐漸回落，呈現(xiàn)下降趨勢，顯示了高功率光纖激光器技術(shù)已趨近成熟，相關(guān)技術(shù)已發(fā)展較為充分，高功率光纖激光器技術(shù)進(jìn)入成熟期。

就國內(nèi)專利申請而言，專利申請量變化趨勢與全球?qū)＠暾埱闆r大致相同。不同的是，一方面，國內(nèi)企業(yè)和高?？蒲袡C(jī)構(gòu)較國外起步較晚，直到2000年前后才有相關(guān)專利申請出現(xiàn)，基礎(chǔ)研究薄弱，關(guān)鍵技術(shù)與國際先進(jìn)水平還存在差距。另一方面，國內(nèi)行業(yè)發(fā)展迅速，2000年后專利申請量快速增長，特別是進(jìn)入2010年以來，在專利申請總量上已逐漸逼近甚至超越了發(fā)達(dá)國家，體現(xiàn)了我國追趕國際先進(jìn)水平的趨勢。

2.2 各國家/地區(qū)/組織專利申請量

圖2示出了高功率光纖激光器專利申請地域分布，其中專利申請量前五位的分別是中國、美國、WIPO、歐洲和日本。中國和美國的專利申請占據(jù)了全球申請量的一半以上，分別占總量的31%和22%，表明中國和美國是高功率光纖激光器的主要創(chuàng)新市場。向WIPO提交的PCT申請，占全球申請量的11%，緊隨其后的是向歐洲和日本提交的申請，分別占總量的11%和9%。此外，德國、韓國、澳大利亞分別占據(jù)全球申請量的4%、3%、2%。可見，由于高功率光纖激光器技術(shù)研發(fā)門檻較高，需要較大資金投入和高素質(zhì)研發(fā)人員，其申請主要集中于全球主要創(chuàng)新市場。

2.3 專利申請人分析

圖3示出了全球申請人分布，其主要來自于中國、美國和日本的大型集團(tuán)公司/科研機(jī)構(gòu)。其中，中國占據(jù)7個席位，美國占據(jù)2個席位，日本占據(jù)1個席位。這表明，上述3個國家在高功率光纖激光器領(lǐng)域承擔(dān)著主要角色。具體而言，中國申請人主要集中于科研院所，包括國防科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、上海光機(jī)所、西安光機(jī)所、北京交通大學(xué)、華南理工大學(xué)等。國外申請主要是業(yè)界的大公司，包括IMRA美國公司、IPG光子公司、SDL INC等。

圖4示出了在華申請人分布，其主要來自于國內(nèi)各科研院所，包括中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所、北京交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、中國兵器裝備研究院、電子科技大學(xué)等，國內(nèi)企業(yè)進(jìn)入前10的只有山東海富光子，表明我國尚未形成以企業(yè)申請人為主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)格局。

3 專利技術(shù)分析

高功率光纖激光器涉及多種技術(shù)，通過筆者對本領(lǐng)域的了解和宏觀數(shù)據(jù)分析后，發(fā)現(xiàn)高功率光纖激光器主要向三個方向進(jìn)行發(fā)展，包括：增益光纖技術(shù)、泵浦耦合技術(shù)、激光組束技術(shù)。下面分別結(jié)合具體的專利申請對這三大類技術(shù)進(jìn)行介紹，技術(shù)演進(jìn)路線由圖5所示出。

3.1 增益光纖技術(shù)

高功率光纖激光器增益光纖主要包括稀土摻雜雙包層光纖和光子晶體光纖。雙包層光纖有效地解決了泵浦光與光纖的耦合問題，由此顯著地提高了光纖激光器輸出功率。例如，US5530709A公開了一種稀土摻雜雙包層光纖，其結(jié)構(gòu)包括纖芯、內(nèi)包層和外包層，各層之間折射率從內(nèi)到外依次遞減，將光限制于纖芯內(nèi)，獲得高功率輸出EP2703854A1公開了一種雙包層光纖，在芯區(qū)和內(nèi)包層區(qū)之間設(shè)置溝槽區(qū)，獲得高功率輸出。光子晶體光纖是在光纖中沿軸向均勻排列空氣孔，從光纖端面看，存在二維周期結(jié)構(gòu)，由于PCF具有特殊的光學(xué)特性，在高功率光纖激光器中得到廣泛應(yīng)用。例如，US6301421B1公開了一種稀土摻雜光子晶體光纖，包括摻雜稀土離子的第一單元，圓周圍繞第一單元的多個第二單元，第二單元具有沿著光纖長度方向軸向通道。

3.2 泵浦耦合技術(shù)

高功率光纖激光器泵浦耦合技術(shù)主要包括端面泵浦耦合和側(cè)面泵浦耦合技術(shù)。端面泵浦耦合技術(shù)將泵浦光聚焦到增益光纖端面處，直接耦合入增益光纖中。例如，US5892781A公開了一種端面泵浦耦合技術(shù)，將光纖光柵熔接在增益光纖一端，并與帶尾纖的LD陣列熔接起來構(gòu)成全光纖結(jié)構(gòu);CN105958308A公開了一種端面泵浦耦合技術(shù)，將多個泵浦LD通過合束器后對光纖端面進(jìn)行集中泵浦。側(cè)面耦合技術(shù)是將增益光纖的一段涂覆層和外包層剝離后，在內(nèi)包層的一個側(cè)面，泵浦光經(jīng)耦合注入到內(nèi)包層中。例如，US5854865A公開了一種側(cè)面泵浦耦合技術(shù)，在裸露的內(nèi)包層刻蝕V形槽結(jié)構(gòu)，泵浦光經(jīng)微透鏡聚焦于V形槽后進(jìn)入內(nèi)包層內(nèi)對纖芯進(jìn)行泵浦;US6370297B1公開了一種角度拋磨側(cè)面泵浦耦合技術(shù)，通過將內(nèi)包層沿縱向進(jìn)行拋磨，得到抽運(yùn)平面，并將端面成一定角度的泵浦光纖相對該平面貼合，泵浦光從光纖側(cè)面以較大角度入射包層實現(xiàn)泵浦。

3.3 激光組束技術(shù)

激光組束技術(shù)主要包括非相干組束和相干組束。非相干組束是即波長組束，通過將多個相近激光波長疊加，在近場或遠(yuǎn)場獲得光場分布疊加，實現(xiàn)高功率激光輸出。例如，US6298187B1公開了利用波分復(fù)用器WDM將多個不同波長的光進(jìn)行合束，獲得高功率輸出;CN1649220A公開了采用多根雙包層光纖線陣排列形成光纖激光組束激光器，對波長進(jìn)行非相干合成。相干組束是將多路激光經(jīng)相干控制后合成一束光，獲得高功率激光輸出。例如，US5946130A公開了利用相位控制器控制激光相位，然后光纖耦合器將激光相干合成;CN101202417A公開了利用傅里葉變換控制光束空間分布，使各對激光關(guān)于中心軸對稱，從而實現(xiàn)激光相干組束。

4 結(jié)語

通過上述專利分析，在高功率光纖激光器領(lǐng)域，發(fā)達(dá)國家仍占據(jù)主要份額，特別在工業(yè)化應(yīng)用方面，美國IMRA公司、IPG光子公司目前已有成熟的產(chǎn)品。我國雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，目前已成該領(lǐng)域主要申請國家，但是我國申請人主要集中于科研院所，存在申請質(zhì)量不高，核心技術(shù)仍未突破等問題。因此，我們應(yīng)緊跟經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級的大趨勢，重點突破核心技術(shù)，實現(xiàn)高功率光纖激光器產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)、跨越式發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 樓祺洪.高功率光纖激光器及其應(yīng)用[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2010：18-28.

[2] 周炳琨，高以智，陳倜嶸，等.激光原理[M].7版.北京：國防工業(yè)出版社，2014.11：244-245.