【导读】加拿大拉瓦尔大学科学家开发出了第一台可在电磁光谱的可见光范围内产生飞秒脉冲的光纤激光器，这种能产生超短、明亮可见波长脉冲的激光器可广泛应用于生物医学、材料加工等领域。
通常产生可见光飞秒脉冲的设备复杂且低效，光纤激光器则拥有稳定可靠、占地面积小、效率高、成本低、亮度高等优点，是一种非常有前途的替代方案。但迄今为止，这种激光器还无法直接产生持续时间在飞秒（10-15秒）范围内的可见光脉冲。
研究团队负责人睿尔·瓦雷表示，他们研制出了首台能在可见光范围内工作的飞秒光纤激光器。该激光器基于镧系元素掺杂的氟化物光纤，能发射635纳米的红光，实现了持续时间为168飞秒、峰值功率为0.73千瓦、重复频率为137兆赫兹的压缩脉冲。而且，他们在设备中使用商用蓝色激光二极管作为能量光源，使整体设计更加坚固、紧凑且具有成本效益。
研究团队指出，如果在不久的将来能够获得更高的能量和功率，可广泛应用于许多领域。潜在应用包括高精度、高质量的生物组织消融和双光子激发显微镜。此外，飞秒激光脉冲还可在材料加工过程中对其进行冷消融，鉴于这一过程不会产生热效应，因此在进行切割时比用更长的脉冲更加清洁。
接下来，研究人员计划改进这项技术，使装置完全单片化，这意味着各个光纤光学组件都将直接互连，将减少装置的光学损耗，提高效率，进一步提高激光器的可靠、紧凑和坚固性。他们还在研究提高激光脉冲能量、脉冲持续时间和平均功率的不同途径。
什么是光纤激光器？
光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。
光纤激光器的工作原理和其他激光器一样，它是由能产生光子的增益介质(掺杂光纤)，使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光子跃迁的泵浦源三部分组成。由泵浦源发出的泵浦光通过一面反射镜耦合进入增益介质中，由于增益介质为掺稀土元素光纤，因此泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土离子发生能级跃迁并实现粒子数反转，反转后的粒子经过谐振腔，由激发态跃迁回基态，释放能量，并形成稳定的激光输出。
光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果好，能在不加强制冷却的情况下连续工作。
光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，因此光纤激光器具有较高的转换效率、较低的阙值、较高的增益、较窄的线宽，与光纤耦合损耗小。
由于光纤具有很好的柔韧性，因此光纤激光器具有小巧灵活，结构紧凑，性价比较高，且易于系统集成的特点。
光纤还具有相当多的可调谐参数和选择性，能获得相当宽的调谐范围、好的色散性和稳定性。
工业领域应用仍为主流，非工业领域市场存在巨大潜力
我国光纤激光器市场增长迅速，工业领域为光纤激光器下游主要应用领域，占比高达62%。相较于其它类型的激光器，光纤激光器具有使用成本较低、精密加工能力强、停机修整时间短等优势，应用在大规模增长的激光切割、打标、焊接等工业精细加工领域作业可谓是再合适不过的了。近年来，工业应用中光纤激光器占比逐步提升，已经成为工业应用首选激光器，其次为信息领域激光设备市场，占比达22%；商业领域占比7%，医学领域占比4%，科研领域占比5%。
除此之外，光纤激光器在非工业领域的应用市场也存在巨大潜力。以医疗方面为例，大功率光纤激光器的引进，使组织脱落和光致凝结手术的时间大大缩短。在眼科手术中，连续掺铥光纤激光器能使角膜成形手术成功率更高，同时还可以治疗远视、近视等眼科疾病。在心血管手术中，利用光纤的柔韧性和光纤激光器光束质量好，可以使光纤进入人体内排除肿瘤。在整形美容手术中，2m波长光纤激光器在治疗皮肤癌和去纹身方面已取得了良好效果。另外，功率超过几瓦的掺铥光纤激光器则在显微外科手术中扮演了十分重要的角色，它能为外科手术提供较大的高能辐射，同时在红外保健方面也有着应用空间。预计未来非工业激光设备应用规模将有望超过工业设备应用，占比较大且增长较快的非工业应用领域主要包括医疗、传感器与仪器、微电子加工等下游领域。
与传统工业加工制造领域相比，这类非工业领域的应用市场细分领域众多，没有通用的产品，功率也不再是唯一的关键指标，必须根据具体应用场景开发与之匹配的产品，因此定制化的产品研发必然成为企业发展方向。
国产化渗透率快速增长
中低功率光纤激光器已基本实现全面国产化
光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。随着中国制造业逐步向高端化、智能化转型升级，光纤激光器在工业领域生产制造的各个环节渗透率不断攀升。2022年中国光纤激光器市场销售数量持续攀升，但整体经济面临需求收缩、供给冲击、预期转弱的三重压力，我国光纤激光器市场规模下降至122.6亿元，同比下降1.8%。随着新赛道的打开和多款新产品投产，中商产业研究院预测，2023年整个市场将恢复正增长，市场规模将达135.5亿元，同比增长超过10%。
从光纤激光器国产化渗透率来看，我国小功率光纤激光器国产化水平较高，中、大功率光纤激光器国产化渗透率有望进一步增长。
由于中低功率激光器技术壁垒相对较低，一直以来，国产光纤激光器都更多地集中在中低功率领域。低功率光纤激光器主要用于3C产品打标、微雕等精细加工领域，其中，激光打标市场是工业光纤激光器在中国的突破口，2017 年，低功率领域（100W 以下）国产比例已高达90%。目前，已有以锐科和创鑫为代表的约15家厂商，在50W以下的打标及其他市场占有一席之地。据不完全统计，这些厂商占有约40%的国内光纤打标市场。
中功率市场国产化率也已于2020年突破60%，有望实现完全替代。据报道，国内有四家厂商现已推出500W的产品：武汉锐科、西安梅曼、北京国科世纪和纽敦光电。中功率光纤激光器广泛应用于金属薄板切割和焊接，还有三维切割领域等，伴随着相关技术逐渐成熟同时关键激光元器件可以从国内采购或自产，中功率光纤激光器国产化占比将继续提升。
数据显示，2018-2022年，大功率光纤激光器国产化渗透率由34.48%增长至83.55%，中功率光纤激光器国产化渗透率由54.90%增长至60.33%，小功率光纤激光器国产化渗透率由98.21增长至99.86%。其中，大功率光纤激光器国产化渗透率增长速度最快，表明我国大功率光纤激光器自主生产能力获得快速提高。中商产业研究院预测，2023年我国大功率光纤激光器国产化渗透率将达85.37%。
来源：贤集网
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