高能激光输出，传能光纤这根“丝”不可少

继原子能、计算机、半导体之后，激光是20世纪以来人类的又一项重大成就^[1]，因其具备良好的方向性、单色性、相干性和高亮度等特点，可广泛应用于工业、农业、通信、娱乐、医疗、科研国防等领域，日渐成为信息时代高新技术产业链中的关键一环。表1是激光器的不同分类方式。

激光由受激离子产能能级的跃迁所产生，生成的激光种类多样^[2]，根据工作物质状态的不同，可分成固体激光器、气体激光器、液体激光器、自由电子激光器以及一些新型独立命名的激光器，如光纤激光器、半导体激光器、化学激光器等；按泵浦方式不同，可分成光泵浦、电泵浦、热泵浦、化学反应泵浦等，部分激光器还会采用混合泵浦的方式；按激光的输出光波工作方式，又可分成连续激光器、准连续激光器和脉冲激光器；按输出光波的波长，可分为红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等；甚至按激光的输出功率大小，也可分成低、中、高以及超高等不同档位。

传能光纤是指能够实现激光能量传输的光纤，具有传输功率高、损耗低、柔韧性良好以及损伤阈值高等优良特性^[3]。配合传能组件一起使用，传能光纤可以将光能精准地导入到目标区域，是激光应用中的重要一环。当前市场上常见的激光传能光纤，主要是由石英玻璃为主材料制造而成的各类大芯径光纤，典型的有如下几类：常规大芯径光纤、大芯径特种几何端面光纤和大芯径空芯光纤。

• 什么是高功率激光？

而何为高功率激光，同样在不同场景下也有各自的定义标准，图2为不同应用领域的激光功率范围。

生物医疗方面，将直接照射时不会对靶组织造成不可逆性损伤的低功率激光，称为弱激光，也被称为低强度激光；与弱激光相对应的，就是强激光。弱激光的辐射功率通常在几个mW到数百mW之间，也常用辐照强度即单位面积上的光辐射功率来表示。医疗美容上应用的连续激光辐照强度一般不超过几十个mW/cm²，大多为几个mW/cm²。

工业方面，将输出功率在100 W以下的定义为低功率激光器，100~1000 W定义为中功率激光器，1 kW及以上定义为高功率激光器，但有时也将100~1500 W的功率范围定义为中功率激光器，功率超过10 kW的激光器则定义为超高功率激光器。根据加工场景的不同，选择不同功率的激光器。

军事方面，不同国家的定义标准也不尽相同。按照美国国防部的定义，高能激光武器的平均输出功率要≥20 kW，或每个脉冲能量≥30 kJ，而实战型战术激光武器必须达到100 kW量级^[5]，旨在通过高功率激光照射产生热能直接毁伤目标。

在安全方面，功率超过500 mW的激光，统称为大功率激光（即4类激光器，实际上对于输出功率为5~500 mW的3B类激光器，就已有严格的防护措施要求）^[6]，此类激光不但其直射光束对眼睛和皮肤有很大的损伤，甚至直接反射、漫反射均会造成伤害。故此类激光设备都必须带有“危险”标识，使用时需佩戴护眼装置。

• 激光功率

图3 自然光和灯泡向四周均匀辐射能量，激光具备方向性，且出射光斑面积小，辐照强度大

此外，连续激光器和脉冲激光器之间，功率和能量也有很大的不同，一般连续激光器以功率为参数，脉冲激光器以能量为参数。对于脉冲激光器，其激光峰值功率（Peak Power）=脉冲能量/脉宽（Pulse Width）（图4），激光平均功率=脉冲能量×重复频率（每秒脉冲个数，1/t_p-t-p）。

假设一个脉冲激光器1秒钟发射10个脉冲（重复频率10 Hz)，每个脉冲能量100 mJ、持续10 ns，那么单个脉冲的峰值功率是：100 mJ/10 ns = 10000 kW，而该激光器的平均功率只有100 mJ×10 Hz = 1 W。脉冲激光器的脉冲频率越高，峰值功率越大，其能量也越高。通常来说，脉冲激光器功率较小，连续激光器功率较大，还有一种介于两者之间的准连续激光器，准连续也是脉冲输出，但脉冲的占空比较大，单个脉冲的持续时间较长，通常为μm、ms量级（图5）。

• 对传能光纤的需求

为什么采用大芯径结构？基于低非线性的要求，只有光纤模场面积足够大才能满足，而大的纤芯直径可有效增大光纤模场面积；此外，由于光纤纤芯可以承受的光功率和纤芯尺寸成正比，面对数千甚至上万瓦级别的激光输出功率，传能光纤采用大芯径结构成为必然（对比普通单模光纤芯径通常只有9~10 μm，大芯径结构光纤芯径往往大于50 μm）。

在激光加工领域，传能光纤提高了激光加工的自动化性能、柔性和安全性能，除广泛应用于各类重型台式、柜式激光器之外，更是在手持式激光焊接应用上大放异彩。当前国内外商用大功率手持光纤激光焊接机，最大输出功率可达1500 W~2000 W，传能光纤、焊枪的保护管路（气冷或水冷）和控制线等均预先组装在保护线缆内（长度可自定义，一般为5~10 m）。手持焊接，灵活方便（图6），替代了以前的固定光路焊接，也使得激光焊接在室外操作成为现实，对传统焊接工艺形成有力竞争。

对激光医学领域来说，最重要的就是激光光束导引系统的设计、导光头和外科辅助设备。目前，纯石英大芯径光纤已成为医用激光传输系统的标准元件，在美容、手术治疗和光动力疗法等方面获得广泛应用（图7）。在激光点火系统中引入传能光纤有利于激光点火系统整体的小型化和实用化（图8）。因此，有必要对传能光纤进行一个简单的介绍。

图7 Lumenis出品Pulse 120H泌尿系统激光碎石机，其使用的传能光纤芯径在240~272 μm之间，且为了保护输尿管软镜内村，光纤头被加工成扁平形或圆形(“球头”)

特别要指出的是，激光传能光纤，仅仅用作激光的传输媒介，不具备增益功能，属于无源光纤（Passive fiber）。而在光纤激光器和光纤放大器中，常用稀土掺杂光纤用作激光的增益介质，该类稀土掺杂光纤属于有源光纤（Active fiber）。部分有源光纤也会采用大芯径结构，其同无源光纤的区别主要在于是否具备激光增益功能。