國(guó)際光日｜制造高科技產(chǎn)品，要有“光”？

它是削鐵如泥的“刀”，是縫合金屬的“針”，是刻畫圖案的“筆”……能夠制造出一件件精美的高科技產(chǎn)品的“光纖激光器”，是如何彰顯其精妙的制造“手法”的呢？

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01 什么是激光器？

激光是一種高能量、高密度的電磁波束，而激光器正是能夠發(fā)射激光的裝置。按照激光工作物質(zhì)狀態(tài)的不同，科學(xué)家們把激光器分為：固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器以及自由電子激光器等幾大類。簡(jiǎn)單地說(shuō)，激光的工作物質(zhì)就是激光器的核心，是激光器中產(chǎn)生激光的物質(zhì)，是激光器能夠發(fā)出高強(qiáng)度、單色、相干光束的關(guān)鍵所在。

光纖激光器屬于固體激光器。不論是氣體激光器、固體激光器還是液體激光器，它們其實(shí)并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，只是工作物質(zhì)類別不同而已。

一臺(tái)光纖激光器的內(nèi)部，主要包含有泵浦源、光纖以及各種透鏡等。其中泵浦源大致相當(dāng)于光纖激光器的心臟，需要將光源發(fā)出的光束折射進(jìn)只有頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖內(nèi)。光纖則相當(dāng)于是激光器的血管，一束束光要在這里匯集并完成加速跑。最后，這些光束再通過(guò)一組組透鏡完成聚焦，在一個(gè)小點(diǎn)上聚集出巨大的能量。

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所科研人員正在對(duì)空間激光器進(jìn)行集成測(cè)試（來(lái)源：新華社記者董雪 攝）

02 光纖激光器的“心臟”—泵浦源

泵浦源作為光纖激光器的心臟，是光纖激光器的能量來(lái)源。它的工作原理其實(shí)也并不復(fù)雜。在它的內(nèi)部，芯片發(fā)出來(lái)的光通過(guò)各種各樣的透鏡鏡片整形，經(jīng)過(guò)合束、聚焦，再輸出到一根光纖里。

然而，這看似簡(jiǎn)單的過(guò)程，卻無(wú)法回避如何散熱這個(gè)大難題。原來(lái)，每一束光都會(huì)產(chǎn)生許多的熱量。如果不能解決散熱的問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致芯片以及整個(gè)泵浦源在工作中被燒壞。

值得注意的是，泵浦源里的透鏡鏡片都非常小，直徑只有500-600微米。同時(shí)，還需要將這些不足一個(gè)毫米的透鏡耦合到距離芯片只有60-70微米的位置上。更為重要的是，鏡片還不能接觸到芯片，因?yàn)橐坏﹥烧呦嘤鲂酒蜁?huì)失效。這里的耦合大致意思是指將透鏡和芯片分別安裝到線路板上。

科研人員在廣東東莞阿秒科學(xué)中心實(shí)驗(yàn)室調(diào)試應(yīng)用于先進(jìn)阿秒激光設(shè)施的高性能激光器（來(lái)源：新華社）

另外，準(zhǔn)直器也是泵浦源里的關(guān)鍵部件。它可以對(duì)芯片整形出來(lái)的光進(jìn)行處理，過(guò)濾掉雜散光。同時(shí)，將這些疊加起來(lái)的平行光束匯聚到一個(gè)直徑只有0.1毫米的點(diǎn)上，灌注到光纖當(dāng)中。

光纖激光器按照激光輸出的時(shí)域特性，又分為連續(xù)激光器和脈沖激光器兩種。顧名思義，連續(xù)激光器輸出的激光是連續(xù)的，且強(qiáng)度保持不變，一般用于激光通信、激光手術(shù)、金屬切割和焊接等場(chǎng)景；而脈沖激光器則是以脈沖的形式輸出激光，一般用于激光打標(biāo)、激光測(cè)距、精密焊接以及特種材料切割等場(chǎng)景。

03 從白手起家到“光纖裁縫”

我國(guó)的光纖激光器研制起步較晚，大致在2010年前后，我國(guó)的光纖激光器研發(fā)和生產(chǎn)才開(kāi)始逐漸步入技術(shù)突破和國(guó)產(chǎn)化的高潮。

2024年7月，國(guó)內(nèi)首臺(tái)萬(wàn)瓦單模光纖激光器在長(zhǎng)沙研制成功。這也意味著，長(zhǎng)達(dá)十幾年的純單模萬(wàn)瓦激光器技術(shù)壟斷已被打破。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)光束質(zhì)量M2越小，光就越不容易發(fā)散，這樣的激光器產(chǎn)品就擁有越強(qiáng)大的能量。國(guó)產(chǎn)的萬(wàn)瓦單模光纖激光器成功將光束質(zhì)量M2控制在1.4以內(nèi)，標(biāo)志著1萬(wàn)瓦激光已基本實(shí)現(xiàn)純單模輸出。目前市場(chǎng)上的3000瓦激光器的光束質(zhì)量M2一般在1.5左右，而超過(guò)6000瓦，其光束質(zhì)量M2基本在2以上。

在量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中激光器（版權(quán)圖庫(kù)圖片，轉(zhuǎn)載可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

2025年3月，被譽(yù)為“光纖裁縫”的國(guó)內(nèi)首臺(tái)光纖剝除、切割、熔接一體化設(shè)備在武漢研制成功。在光纖激光器制造過(guò)程中，需要將直徑約100微米的普通光纖進(jìn)行加工處理，使得其形成頭發(fā)絲粗細(xì)的大直徑光纖。而其中對(duì)光纖的剝除、切割、熔接等核心環(huán)節(jié)原來(lái)需要不同設(shè)備分步完成，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力還容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。這套設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度達(dá)0.2微米，可高效處理125微米至1200微米直徑光纖。

作者：程醉 科普創(chuàng)作者 2016年、2018年北京市科協(xié)“和院士一起做科普”科普創(chuàng)客大賽三等獎(jiǎng)獲得者

審核：陳長(zhǎng)水 華南師范大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師

策劃：翟國(guó)慶

出品：科普中國(guó)