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(guó)防等領(lǐng)域，是實(shí)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(zhuān)利申請(qǐng)情況，重點(diǎn)分析了高功率光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)，以期對(duì)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(lèi)號(hào)：TN248 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lái)，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(diǎn)的光纖激光器是研究的熱點(diǎn)之一，并且已在光通信、傳感和國(guó)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(xiàn)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(lèi)激光器[2]。

近年來(lái)，光纖激光器輸出功率快速增長(zhǎng)，目前已達(dá)100kW級(jí)。高功率光纖激光器各項(xiàng)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(jì)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(zhuān)利申請(qǐng)總體情況

本文使用國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)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(lèi)號(hào)[H01S3/067]，檢索CNABS和DWPI數(shù)據(jù)庫(kù)獲得的專(zhuān)利申請(qǐng)作為研究對(duì)象（檢索日期：2019年5月10日）。由于未申請(qǐng)?zhí)崆肮_(kāi)的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)谏暾?qǐng)日后18個(gè)月才公開(kāi)，因此將導(dǎo)致部分專(zhuān)利申請(qǐng)由于未公開(kāi)而不在本次文獻(xiàn)采集之列。

2.1 專(zhuān)利申請(qǐng)量分析

圖1示出了高功率光纖激光器歷年專(zhuān)利申請(qǐng)量分布。就全球?qū)＠暾?qǐng)而言，20世紀(jì)90年代之前，專(zhuān)利申請(qǐng)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(shí)現(xiàn)突破，帶動(dòng)了高功率光纖激光器整體上獲得較大發(fā)展，專(zhuān)利申請(qǐng)量呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，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(zhuān)利申請(qǐng)量逐漸回落，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，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(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)而言，專(zhuān)利申請(qǐng)量變化趨勢(shì)與全球?qū)＠暾?qǐng)情況大致相同。不同的是，一方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)和高?？蒲袡C(jī)構(gòu)較國(guó)外起步較晚，直到2000年前后才有相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)出現(xiàn)，基礎(chǔ)研究薄弱，關(guān)鍵技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平還存在差距。另一方面，國(guó)內(nèi)行業(yè)發(fā)展迅速，2000年后專(zhuān)利申請(qǐng)量快速增長(zhǎng)，特別是進(jìn)入2010年以來(lái)，在專(zhuān)利申請(qǐng)總量上已逐漸逼近甚至超越了發(fā)達(dá)國(guó)家，體現(xiàn)了我國(guó)追趕國(guó)際先進(jìn)水平的趨勢(shì)。

2.2 各國(guó)家/地區(qū)/組織專(zhuān)利申請(qǐng)量

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

2.3 專(zhuān)利申請(qǐng)人分析

圖3示出了全球申請(qǐng)人分布，其主要來(lái)自于中國(guó)、美國(guó)和日本的大型集團(tuán)公司/科研機(jī)構(gòu)。其中，中國(guó)占據(jù)7個(gè)席位，美國(guó)占據(jù)2個(gè)席位，日本占據(jù)1個(gè)席位。這表明，上述3個(gè)國(guó)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(guó)申請(qǐng)人主要集中于科研院所，包括國(guó)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(guó)外申請(qǐng)主要是業(yè)界的大公司，包括IMRA美國(guó)公司、IPG光子公司、SDL INC等。

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

3 專(zhuān)利技術(shù)分析

高功率光纖激光器涉及多種技術(shù)，通過(guò)筆者對(duì)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(gè)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(zhuān)利申請(qǐng)對(duì)這三大類(lèi)技術(shù)進(jìn)行介紹，技術(shù)演進(jìn)路線(xiàn)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(wèn)題，由此顯著地提高了光纖激光器輸出功率。例如，US5530709A公開(kāi)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(kāi)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(kāi)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?chē)@第一單元的多個(gè)第二單元，第二單元具有沿著光纖長(zhǎng)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(kāi)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(lái)構(gòu)成全光纖結(jié)構(gòu);CN105958308A公開(kāi)了一種端面泵浦耦合技術(shù)，將多個(gè)泵浦LD通過(guò)合束器后對(duì)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(gè)側(cè)面，泵浦光經(jīng)耦合注入到內(nèi)包層中。例如，US5854865A公開(kāi)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(duì)纖芯進(jìn)行泵浦;US6370297B1公開(kāi)了一種角度拋磨側(cè)面泵浦耦合技術(shù)，通過(guò)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(duì)該平面貼合，泵浦光從光纖側(cè)面以較大角度入射包層實(shí)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(zhǎng)組束，通過(guò)將多個(gè)相近激光波長(zhǎng)疊加，在近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)獲得光場(chǎng)分布疊加，實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出。例如，US6298187B1公開(kāi)了利用波分復(fù)用器WDM將多個(gè)不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行合束，獲得高功率輸出;CN1649220A公開(kāi)了采用多根雙包層光纖線(xiàn)陣排列形成光纖激光組束激光器，對(duì)波長(zhǎng)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(kāi)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(kāi)了利用傅里葉變換控制光束空間分布，使各對(duì)激光關(guān)于中心軸對(duì)稱(chēng)，從而實(shí)現(xiàn)激光相干組束。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述專(zhuān)利分析，在高功率光纖激光器領(lǐng)域，發(fā)達(dá)國(guó)家仍占據(jù)主要份額，特別在工業(yè)化應(yīng)用方面，美國(guó)IMRA公司、IPG光子公司目前已有成熟的產(chǎn)品。我國(guó)雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，目前已成該領(lǐng)域主要申請(qǐng)國(guó)家，但是我國(guó)申請(qǐng)人主要集中于科研院所，存在申請(qǐng)質(zhì)量不高，核心技術(shù)仍未突破等問(wèn)題。因此，我們應(yīng)緊跟經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的大趨勢(shì)，重點(diǎn)突破核心技術(shù)，實(shí)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(guó)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(guó)防工業(yè)出版社，2014.11：244-245.