从能量利用角度看高功率光纤激光器的发展
文明等级的划分与能量转换的工具
在宇宙学领域，有一个卡尔达舍夫文明等级（Kardashev scale）[1]理论。该理论按照一个文明能够汲取和利用的能量规模将其划分为三个等级：一级文明可以充分利用自己所在行星的资源，对人类而言，就是地球，总能量约为1016 W；二级文明可以利用恒星系和恒星的全部资源，对人类而言，就是太阳系，其能量约为1026 W；三级文明可以利用它所在星系的所有能源，对人类而言，就是银河系，能量约为1036 W。据估计，我们人类目前的文明等级约为0.73。
图1 恒星能量收集器——著名的“戴森球”假想图
从这个角度看，文明的进步伴随着人们对能量的理解和利用方式而不断进步。到现在，人们已经将化石能源、太阳能、热能、风能、水能、核能、电能等种种能量形式为我所用，并且创造出各种工具。因此，人类发明的很多工具都可以看作一种能量转换器。例如内燃发动机将化石能源的热能转化为机械能，风力发电机将风能中蕴含的机械能转化为电能，LED灯泡将电能转化为可见光，光伏电池把太阳的光能转化为电能……
作为能量转换器的激光器
作为人类最伟大的发明之一，激光器同样可以被视为一种能量转换工具。不同于其他绝大部分工具，激光器完全是由理论研究预言的，且是自然界中不存在的一种特殊工具。
绝大部分的激光器可以看作一种将电能转换为光能的装置。其利用抽运系统（光学激励、气体放电激励、化学激励等方式）将电能转化为增益介质（晶体、光纤、液体、气体、半导体等）内部粒子数反转积累的势能，进而通过谐振腔对电子辐射跃迁时发射的光子进行模式选择，最终实现光的受激辐射放大输出[2]。
经过了几十年的快速发展，激光器已经进化出一个庞大的家族，增益介质涵盖了固体、气体、液体等数百种介质。横向来看，高功率激光器的发展代表了目前人类利用能源的最高科技水平之一。
一方面，在高功率脉冲激光方面，美国的国家点火装置（NIF）、我国的神光系列、法国的兆焦耳激光装置等都将峰值功率推高到了拍瓦（PW，1015 W）级别，这些装置将极高的能量压缩到飞秒（10-15 s）时间量级上发射，可用于激光惯性约束核聚变、高能量密度物理等前沿研究；另一方面，高功率连续激光器也经历了很大的发展，通过元器件进步以及工艺优化，目前已经实现了最高功率百千瓦级的连续光输出[3]，在工业加工、科学研究、军事等技术领域发挥了重要作用。
光纤激光器中的能量转换过程
在名目繁多的激光器种类之中，凭借光束质量好、效率高、散热性能优良、结构紧凑、可靠性高等优点，光纤激光器逐渐成为当下的主流选择。尤其在工业应用领域，高功率连续光纤激光器是激光切割、激光焊接等应用的首选光源。
图2 光纤激光器结构及其内部能量转换过程（a）结构示意图，（b）半导体泵源中的能量转化，（c）有源光纤中的能量转化，（d）无源光纤中的受激拉曼散射过程
图2给出了高功率光纤激光器的结构以及内部的能量转换过程示意图。目前主流的高功率光纤激光器均采用半导体激光器作为泵浦源，通过合束器件将泵浦光导入有源光纤中，进而完成激光的激发和对种子光的放大，最后用一段较长的无源光纤导出到工作台上（如图2a所示）。
在此类光纤激光器的工作过程中主要涉及三个能量转换和转移过程。首先是在半导体泵源内，在外加的电场作用下，造成其内部载流子的流动和辐射跃迁，将电能转化为波长通常为976 nm/915 nm的泵浦光光能（图3b过程）[4]；然后是在有源光纤内，通过合束器被耦合进有源光纤泵浦光包层内进行全反射传输时，不断激发纤芯中掺杂的稀土离子（Er3+、Yb3+、Tm3+等）形成粒子数反转，进而上能级电子发生受激辐射跃迁（图3c过程）[5]，发射出激光（波长约1064 nm），此过程完成了光能在不同波长间的转移；最后是负责输出的无源光纤内，由于其内部极高的光功率密度，极易引发各种非线性光学效应，最典型的是受激拉曼散射（SRS）现象，该作用将部分光能量从激光转移到散射光（波长约1130 nm）之中，此过程会造成光束质量的劣化，并且部分能量会变成热量被损耗掉。
提升能量密度，提高加工效率
激光器通过上述三个过程，将导体内电荷移动产生的电能，转化为在输出头出射的大量具有相同量子状态的光子。考虑到激光应用原理是基于激光与物质的相互作用，因此越高的输出能量密度能有效提高激光切割、焊接等过程的效率，即更高效地完成对能量的利用，以获得更好的加工效果。
以飞博激光最新推出的30000 W光纤激光器为例，该产品采用115 μm芯径光纤输出，有效提高了输出光功率密度，相比于同功率等级150 μm、200 μm芯径输出产品分别提高70%和200%（如图3所示）。
图3 飞博新款万瓦激光器输出功率与能量密度与同类产品对比
图4 飞博激光20000 W与30000 W激光器的加工速度对比
在实际应用中，加工效率优势同样明显。如图4所示，在厚钢板切割时，相比于20000 W激光器，在35 mm以上厚度切割时速度优势明显：40 mm碳钢切割速度提升55%，50 mm碳钢切割速度提升达到250%。
图5 飞博30000 W激光器配普雷切割头的切割样块
在成熟的技术积累和严格的质量控制支撑下，飞博激光最新的高亮度产品在能量转换和利用上同样具有技术优势。在半导体泵浦源的选择和使用上，始终保持高标准，既要保证高电光转化效率，又能保证长期运行的稳定性和可靠性；通过高效散热、高质量光纤熔接、光学模拟优化等手段，保证有源光纤内接近物理极限的光光转换效率，减少能量损失；通过元器件自主攻关、工艺优化、光纤定制等手段有效抑制了输出无源光纤内的非线性效应，有效减少了能量向其他波长分量的转移，使得我们可以提供同类产品最长的可用尾纤长度。
向未来
随着与各个学科的交叉融合，基于激光的新应用如雨后春笋般不断涌现：激光雷达、星间通信、激光武器、激光医疗、水下激光通信、激光导航……作为人类发明的最强大的能量转换器之一，激光器的发展同样在与时俱进。一方面我们对激光本身的认识不断深入，使得我们能开发出转换效率更高、性能更好的激光器产品；另一方面我们不断探索激光与其他物质的作用原理，充分利用激光的特点实现越来越多的新技术和新功能。
相信通过激光技术的不断创新和进步，可以更好地推动各行各业的不断发展，为科技进步提供源源不断的动力。
参考文献
- Yurii Yu Balega et al, Nikolai Semenovich Kardashev [J], Phys.-Usp. 55 (633), 2012；
- 周炳琨，高以智，陈倜嵘，陈家骅等[M]，激光原理（第7版），北京：国防工业出版社，2014；
- V. Fomin, V. Gapontsev, E. Shcherbakov, A. Abramov, A. Ferin and D. Mochalov, "100 kW CW fiber laser for industrial applications," 2014 International Conference Laser Optics, 2014；
- 李方直，胡磊，田爱琴，江灵荣，张立群，李德尧，池田昌夫，刘建平，杨辉，GaN基蓝绿光激光器发展现状与未来发展趋势[J], 人工晶体学 , 49(11), 2020.
- 方泽远，高功率光纤激光器光光转换效率提升技术研究[M]，南京理工大学，2018
