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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射激光的裝置。按照激光工作物質狀態的不同，科學家們把激光器分為：固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器以及自由電子激光器等幾大類。簡單地說，激光的工作物質就是激光器的核心，是激光器中產生激光的物質，是激光器能夠發出高強度、單色、相干光束的關鍵所在。
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，它們其實并沒有本質上的區別，只是工作物質類別不同而已。
一臺光纖激光器的內部，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于光纖激光器的心臟，需要將光源發出的光束折射進只有頭發絲粗細的光纖內。光纖則相當于是激光器的血管，一束束光要在這里匯集并完成加速跑。最后，這些光束再通過一組組透鏡完成聚焦，在一個小點上聚集出巨大的能量。
中國科學院上海光學精密機械研究所科研人員正在對空間激光器進行集成測試（來源：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源。它的工作原理其實也并不復雜。在它的內部，芯片發出來的光通過各種各樣的透鏡鏡片整形，經過合束、聚焦，再輸出到一根光纖里。
然而，這看似簡單的過程，卻無法回避如何散熱這個大難題。原來，每一束光都會產生許多的熱量。如果不能解決散熱的問題，就會導致芯片以及整個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，還需要將這些不足一個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，因為一旦兩者相遇芯片就會失效。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中心實驗室調試應用于先進阿秒激光設施的高性能激光器（來源：新華社）
另外，準直器也是泵浦源里的關鍵部件。它可以對芯片整形出來的光進行處理，過濾掉雜散光。同時，將這些疊加起來的平行光束匯聚到一個直徑只有0.1毫米的點上，灌注到光纖當中。
光纖激光器按照激光輸出的時域特性，又分為連續激光器和脈沖激光器兩種。顧名思義，連續激光器輸出的激光是連續的，且強度保持不變，一般用于激光通信、激光手術、金屬切割和焊接等場景；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、激光測距、精密焊接以及特種材料切割等場景。
03 從白手起家到“光纖裁縫”
我國的光纖激光器研制起步較晚，大致在2010年前后，我國的光纖激光器研發和生產才開始逐漸步入技術突破和國產化的高潮。
2024年7月，國內首臺萬瓦單模光纖激光器在長沙研制成功。這也意味著，長達十幾年的純單模萬瓦激光器技術壟斷已被打破。一般來說，當光束質量M2越小，光就越不容易發散，這樣的激光器產品就擁有越強大的能量。國產的萬瓦單模光纖激光器成功將光束質量M2控制在1.4以內，標志著1萬瓦激光已基本實現純單模輸出。目前市場上的3000瓦激光器的光束質量M2一般在1.5左右，而超過6000瓦，其光束質量M2基本在2以上。
在量子光學實驗室中激光器（版權圖庫圖片，轉載可能引發版權糾紛）
2025年3月，被譽為“光纖裁縫”的國內首臺光纖剝除、切割、熔接一體化設備在武漢研制成功。在光纖激光器制造過程中，需要將直徑約100微米的普通光纖進行加工處理，使得其形成頭發絲粗細的大直徑光纖。而其中對光纖的剝除、切割、熔接等核心環節原來需要不同設備分步完成，不但費時費力還容易出現質量問題。這套設備的運動精度達0.2微米，可高效處理125微米至1200微米直徑光纖。
作者：程醉 科普創作者 2016年、2018年北京市科協“和院士一起做科普”科普創客大賽三等獎獲得者
審核：陳長水 華南師范大學光電科學與工程學院教授、博士生導師
策劃：翟國慶
出品：科普中國
來源: 科普中國
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