国际光日｜制造高科技产品，要有“光”？

【导语】光纤激光器，这一高科技领域的璀璨明珠，以其削铁如泥的“刀”锋、缝合金属的“针”巧、刻画图案的“笔”韵，在精密制造中展现出非凡的技艺。从激光器的基本原理到光纤激光器的独特构造，再到我国在该领域的突破与成就，本文将带您深入探索光纤激光器的精妙“手法”，领略其(qí)在(zài)高(gāo)科(kē)技(jì)产(chǎn)品(pǐn)制(zhì)造(zào)中(zhōng)的(de)独(dú)特(tè)魅(mèi)力(lì)。

它(tā)是(shì)削(xuē)铁(tiě)如(rú)泥(ní)的“刀”，是缝合金属的“针”，是刻画图案的“笔”……能够制造出一件件精美的高科技产品的“光纤激光器”，是如何彰显其精妙的制造“手法”的呢？

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01 什么是激光器？

激光是一种高能量、高密度的电磁波束，而激光器正是能够发射激光的装置。按照激光工作物质状态的不同，科学家们把激光器分为：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器以及自由电子激光器等几大类。简单地说，激光的工作物质就是激光器的核心，是激光器中产生激光的物质，是激光器能够发出高强度、单色、相干光束的关键所在。

光纤激光器属于固体激光器。不论是气体激光器、固体激光器还是液体激光器，它们其实并没有本质上的区别，只是工作物质类别不同而已。

一台光纤激光器的内部，主要包含有泵浦源、光纤以及各种透镜等。其中泵浦源大致相当于光纤激光器的心脏，需要将光源发出的光束折射进只有头发丝粗细的光纤内。光纤则相当于是激光器的血管，一束束光要在这里汇集并完成加速跑。最后，这些光束再通过一组组透镜完成聚焦，在一个小点上聚集出巨大的能量。

中国科学院上海光学精密机械研究所科研人员正在对空间激光器进行集成测试（来源：新华社记者董雪 摄）

02 光纤激光器的“心脏”—泵浦源

泵浦源作为光纤激光器的心脏，是光纤激光器的能量来源。它的工作原理其实也并不复杂。在它的内部，芯片发出来的光通过各种各样的透镜镜片整形，经过合束、聚(jù)焦(jiāo)，再(zài)输(shū)出(chū)到(dào)一(yī)根(gēn)光(guāng)纤(xiān)里(lǐ)。

然(rán)而(ér)，这(zhè)看(kàn)似(shì)简(jiǎn)单(dān)的(de)过(guò)程(chéng)，却(què)无(wú)法(fǎ)回(huí)避(bì)如(rú)何(hé)散(sàn)热这个大难题。原来，每一束光都会产生许多的热量。如果不能解决散热的问题，就会导致芯片以及整个泵浦源在工作中被烧坏。

值得注意的(de)是(shì)，泵(bèng)浦(pǔ)源(yuán)里(lǐ)的(de)透(tòu)镜(jìng)镜(jìng)片(piàn)都(dōu)非(fēi)常(cháng)小(xiǎo)，直(zhí)径只(zhǐ)有(yǒu)500-600微(wēi)米(mǐ)。同(tóng)时(shí)，还(hái)需(xū)要(yào)将(jiāng)这(zhè)些(xiē)不(bù)足(zú)一(yī)个(gè)毫(háo)米(mǐ)的(de)透(tòu)镜(jìng)耦(ǒu)合(hé)到(dào)距(jù)离芯片只有60-70微米的位置上。更为重要的是，镜片还不能接触到芯片，因为一旦两者相遇芯片就会失效。这里的耦合大致意思是指将透镜和芯片分别安装到线路板上。

科研人员在广东东莞阿秒科学中心实验室调试应用于先进阿秒激光设施的高性能激光器（来源：新华社）

另外，准直器也是泵浦源里的关键部件。它可以对芯片整形(xíng)出(chū)来(lái)的(de)光(guāng)进(jìn)行(xíng)处(chù)理(lǐ)，过(guò)滤(lǜ)掉(diào)杂(zá)散(sàn)光(guāng)。同(tóng)时(shí)，将(jiāng)这(zhè)些(xiē)叠加起来的平行光束汇聚到一个直径只有0.1毫米的点上，灌注到光纤当中。

光纤激光器按照激光输出的时域特性，又分为连续激光器和脉冲激光器两种。顾名思义，连续激光器输出的激光是连续的，且强度保持不变，一般用于激光通信、激光手术、金属切割和焊接等场景；而脉冲激光器则是以脉冲的形式输出激光，一般用于激光打标、激光测距、精密焊接以及特种材料切割等场景。

03 从白手起家到“光纤裁缝”

我国的光纤激光器研制起步较晚，大致在2010年前后，我国的光纤激光器研发和生产才开始逐渐步入技术突破和国产化的高潮。

2024年7月，国内首台万瓦单模光纤激光器在长沙研制成功。这也意味着，长达十几年的纯单模万瓦激光器技术垄断已被打破。一般来说，当光束质量M²越小，光就越不容易发(fā)散(sàn)，这(zhè)样(yàng)的(de)激(jī)光(guāng)器(qì)产(chǎn)品(pǐn)就(jiù)拥(yōng)有(yǒu)越(yuè)强(qiáng)大(dà)的(de)能(néng)量(liàng)。国(guó)产(chǎn)的(de)万(wàn)瓦(wǎ)单(dān)模(mó)光(guāng)纤(xiān)激(jī)光(guāng)器(qì)成(chéng)功(gōng)将(jiāng)光(guāng)束(shù)质(zhì)量M²控制在1.4以内，标志着1万瓦激光已基本实现纯单模输出。目前市场上的3000瓦激(jī)光(guāng)器(qì)的(de)光(guāng)束(shù)质(zhì)量(liàng)M²一(yī)般(bān)在(zài)1.5左(zuǒ)右(yòu)，而(ér)超(chāo)过(guò)6000瓦(wǎ)，其(qí)光(guāng)束(shù)质(zhì)量(liàng)M²基(jī)本(běn)在(zài)2以(yǐ)上(shàng)。

在量子光学实验室中激光器（版权图库图片，转载可能引发版权纠纷）

2025年3月，被誉为“光纤裁缝”的国内首台光纤剥除、切割、熔接一体化设备在武汉研制成功。在光纤激光器制造过程中，需要将直径约100微米的普通光纤进行加工处理，使得其形成头发丝粗细的大直径光纤。而其中对光纤的剥除、切割、熔接等核心环节原来需要不同设备分步完成，不但费时费力还容易出现质量问题。这套设备的运动精度达0.2微米，可高效处理125微米至1200微米直径光纤。

作者：程醉 科普创作者 2016年、2018年北京市科协“和院士一起做科普”科普创客大赛三等奖获得者

审核：陈长水 华南师范大学光电科学与工程学院教授、博士生导师

策划：翟国庆

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