萬瓦功率三包層摻鐿大模場光纖製備及應用技術檢視原始碼討論檢視歷史

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萬瓦功率三包層摻鐿大模場光纖製備及應用技術針對國外對我國高功率摻鐿激光光纖的產品壟斷及傳統雙包層光纖的有機低折射率塗覆層的長期應用可靠性差難題，自主攻克了基於高摻氟石英玻璃管作為外包層的低損耗摻鐿三包層光纖製備全鏈條技術，解決了國內工業應用萬瓦級激光系統中有源光纖存在的單纖輸出功率低、光子暗化嚴重、長時工作可靠性差等多項瓶頸問題。

1、技術背景和意義

針對國外對我國高功率摻鐿激光光纖的產品壟斷及傳統雙包層光纖的有機低折射率塗覆層的長期應用可靠性差難題，自主攻克了基於高摻氟石英玻璃管作為外包層的低損耗摻鐿三包層光纖製備全鏈條技術，解決了國內工業應用萬瓦級激光系統中有源光纖存在的單纖輸出功率低、光子暗化嚴重、長時工作可靠性差等多項瓶頸問題。

2、技術原理/技術要點

與普通通信光纖不同，萬瓦級摻鐿大模場光纖在數十微米的纖芯範圍要產生並連續承受萬瓦的激光功率。如此高的激光功率密度對摻鐿大模場光纖研製帶來了激光損傷、光暗化、模式不穩定等系列關鍵技術難題。此外，為實現批量應用，還必須滿足批次穩定性、可靠性、耐候性等要求。

本技術採用溶膠結合高溫燒結的發明方法製備了鐿磷鋁氟共摻石英玻璃，揭示了纖芯玻璃成分和結構對Yb3+光譜、纖芯折射率、色心的影響規律。發明了鐿鋁磷氟共摻石英玻璃為纖芯的包層結構摻鐿大模場光纖。發明了溶膠液浸泡結合化學氣相沉積（MCVD）製備摻鐿石英光纖預製棒的方法。實現了比常規溶液浸泡摻雜工藝更高的摻雜均勻性，大幅降低了Yb3+離子的團簇及增益不均勻。實現了高效率、低暗化、纖芯折射率和數值孔徑可調的包層結構摻鐿大模場光纖的批量穩定製備。

創新性地提出多包層光纖設計及三包層摻鐿大模場光纖結構，成功應用高摻氟石英玻璃套管作為外包層，結合上述纖芯製備技術，實現了低包層散射、低損耗、低暗化、高效率的三包層摻鐿大模場光纖製備。有效解決了常規有機低折射塗覆層在萬瓦級高功率激光運行下的熱損傷和塗層老化問題。實現了單纖4-10千瓦高效率激光輸出及其長期穩定運轉。

2011年以來，在國家科技部重點研發計劃、工信部稀土專項、上海市工業強基等項目支持下，歷經10年攻關，突破了萬瓦級摻鐿大模場光纖製備關鍵技術，實現了面向萬瓦級高功率光纖激光器應用的摻鐿大模場光纖自主可控制備和批量應用。

本項目成果自2018年9月起實施應用，已在國內深圳市創鑫激光股份有限公司等多個公司獲得批量應用。成功實現單模塊12kW的高可靠光纖激光器應用，打破國內工業實用型單模塊最高紀錄。在此基礎上，應用於工業用30kW、40kW多模塊連續激光器，是目前國內同類工業切割用激光器功率的最高水平。

截止2021年5月，採用本項目光纖產品，創鑫激光股份有限公司已完成30kW多模塊連續光纖激光器交付12台以上。打破了多年以來國外對我國萬瓦級光纖系統、關鍵原材料、器件等的技術封鎖。中科院上海光機所基於本項目，實現重大經濟產出，截止2021年6月，累計銷售突破1.2億元。

本技術成果將繼續在國內光纖激光器領域的推廣應用。在發展萬瓦級摻鐿大模場光纖的同時，將拓展開發其他功能的摻鐿激光光纖，如高功率耐輻照、高功率高光束質量等。以及超快光纖激光器應用的摻鐿光子晶體光纖。為推動我國高端製造業和國防事業發展做出貢獻。