获奖企业：中国工程物理研究院激光聚变研究中心

主要产品/服务

产品名称：5kW轻量化窄线宽光纤激光器

产品主要用途：高功率窄线宽光纤激光器用于光束合成领域，以实现超高功率光纤激光输出

充实该产品的时间：2021年

创新发展能力

自十三五以来，中国工程物理研究院激光聚变研究中心投入数千万科研经费，围绕高功率窄线宽光纤激光技术进行攻关，先后解决了非线性抑制、模式不稳定抑制、光谱调控、热管理等一系列关键问题，实现输出指标的跨越式提升，并以此为依托，发表相关研究论文十余篇，授权专利十余篇，部分成果如图1所示，形成了集理论设计、器件制作、系统集成与产品研发于一体的技术体系，也先后推出了高功率窄线宽光纤激光FL2000N20型、FL3000N20型、FL3500型、5kW轻量化样机等一系列产品，并在多领域成功实现应用。

图1.  中物院激光聚变研究中心部分授权专利及部分刊出论文

在进行技术攻关的同时，中物院激光聚变研究中心积极申请并参与军科委、装发预研、国家自然科学基金和科技部重点研发计划等项目，先后与国内多家优势单位，例如中电46所、国防科技大学、武汉锐科光纤激光技术股份有限公司、江苏师范大学和南京理工大学等进行技术合作，共同助力光纤激光技术的发展与应用。另外，中物院激光聚变研究中心也积极推动技术消化吸收和产学研合作，团队孵化出“中久大光科技有限公司”（以下简称“中久大光”），公司产品覆盖高功率连续、脉冲、超短脉冲光纤激光器和光纤器件等，可应用于工业加工、表面处理、3D打印、医疗、科研等各个领域。年批产能力达500余台，年综合产值达2亿以上，成功将团队领先的光纤激光技术转化为可持续发展的经济动力。在窄线宽光纤激光技术领域，中物院激光聚变研究中心与中久大光开展了多项技术成果转化，其中包括多项窄线宽光纤激光技术和光纤器件研发技术，双方已实现价值1100万元的技术转让，目前正在进一步推进多项技术的转化工作。双方未来将长期持续深入合作关系，一方面推动研发团队核心技术成果迈入市场，拓宽产品的应用渠道，接受市场的检验与反馈，从而助力更为贴近市场需求的技术优化与新技术研发。另一方面，逐步构建覆盖光纤材料、器件、激光器的全链条研发与生产联盟，共同组成“1+1＞2”的产学研完整体系。

创新成果

高功率窄线宽光纤激光器在引力波探测、光电对抗、激光雷达和基于光束合成的高能激光系统等领域具有广阔的应用前景，近年来得到了各个研究机构的广泛关注。然而光纤中的非线性效应和模式不稳定（MI）效应使激光器发生输出效率降低、光束质量退化等现象，长期限制高功率窄线宽光纤激光器输出功率的提升。

为攻克窄线宽光纤激光功率提升的物理受限因素，最终在产品上实现其输出指标的有效突破，中物院激光聚变研究中心开展了高功率窄线宽光纤激光技术攻关。首先，在理论上建立了高功率窄线宽光纤激光器理论体系，揭示多个系统参数对非线性效应和MI效应的影响规律，厘清光纤激光系统参数对高功率窄线宽光纤激光功率提升的影响权重，从而提出可同时抑制非线性效应和MI效应的方案，并设计出适用于不同光谱线宽条件的窄线宽光纤激光方案，用于指导窄线宽单模光纤激光实验。在理论研究的基础上进行实验研究，实验结果验证了理论研究结果的准确性，之后在工程上综合考虑光、电、热、机械结构等各方面因素，并结合体积、重量、温度、湿度、振动等环境适应性要求，于2021年研制出了性能稳定、功重比高、环境适用性强的5kW窄线宽光纤激光器样机，该样机的主要性能参数如图2所示，输出功率5050W，中心波长1064nm，3dB光谱宽度为0.37nm，拉曼抑制比达45dB，光束质量M²小于1.4，重量仅21.0kg，功重比达240W/kg。

图2.  5kW轻量化窄线宽光纤激光器测试结果

该样机为国内首次实现5kW级单模窄线宽光纤激光输出，各项技术指标均达到行业领先水平。另外，为研发此光纤激光技术，中物院持续牵引国内优势单位开展核心部组件研发，包括光纤研发、轻量化小型化相位调制种子源研发和轻量化LD研发等，推动了相关行业的发展。与同类型产品相比，该5kW级单模窄线宽光纤激光器具备全面的综合的指标体系，其重量、功重比、线宽、光束质量参数均具备较强行业竞争力，可广泛应用于多种途径光束合成，从而应用于工业加工、国防军事等领域。

科技创新成果转化及行业贡献

现阶段，随着我国工业能力不断提升，市场对工业用光纤激光光源的性能参数提出更高的需求。例如，40kW超高功率激光光源能够实现200mm厚度的不锈钢切割，20kW激光光源能够实现95mm厚度的不锈钢切割，市场需求最为旺盛的20mm~50mm金属材料切割，则需要10kW激光光源。尽管目前单链路光纤激光光源已在实验室条件实现20kW输出，但由于系统复杂性，目前尚不具备转化为工业用激光光源的条件。因此，通过光束合成技术将多个激光子束合成为一束是产生数十kW级别激光光源的唯一有效途径。为保证合成后激光的性能参数，要求激光子束为高功率、高光束质量、窄线宽激光器。本单位研制的5kW级轻量化窄线宽光纤激光器产品为光束合成提供了有效的光源保障条件，有助于提升光束合成的输出功率，减小光束合成系统规模，促进高功率光纤激光器的发展应用。同时，本单位正逐步将实验室条件下的高功率窄线宽高光束质量光纤激光向工业装备转化，前期也已开展部分其他型号激光器的开发与小批量研制，支撑了多个项目的顺利开展，如图3所示。

图3.  中物院激光聚变研究中心前期多型号激光器研制结果

基于高功率窄线宽光纤激光器系列产品，近几年，项目团队承担了多项省部级重大专项任务，包括某高能激光系统研制、某特殊环境用激光器研制、某特定波长种子源研制等，完成了数种面向特殊应用的光纤激光器的研发与批量生产，在多领域成功实现应用。

本单位自2014年提出利用窄线宽光纤激光器进行光束合成以提升激光器输出功率的方案，经过多年技术攻关解决了一系列关键问题，掌握了核心技术，并率先研制出5kW级轻量化窄线宽光纤激光产品，在技术突破和产品研发方面均达到行业领先水平，对实现更高功率光纤激光输出起到了引领作用，推动了高功率光纤激光技术的发展，促进了高能激光器在军事、工业等领域的应用。