从专利分布看高功率光纤激光器发展趋势

本文作者郜慧斌、宋海荣，国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，又激光行业观察整理及编辑，仅作交流学习之用，感谢分享！

一、概述

自1960年梅曼成功地演示了红宝石激光器以来，激光器得到快速发展。其中具有高效率、低阈值、低损耗等特点的光纤激光器是研究的热点之一，并且已在光通信、传感和国防军事等领域被广泛应用。

光纤激光器是指采用光纤作为介质的激光器，可分为基于非线性效应的光纤拉曼激光器和基于受激辐射的掺杂光纤激光器，其中以稀土掺杂的光纤激光器最为重要，因此，本文仅讨论这类激光器。

近年来，光纤激光器输出功率快速增长，目前已达100kW级。高功率光纤激光器各项关键技术研究取得了较大突破，如新型结构设计的掺杂光纤（双包层光纤、光子晶体光纤等）；端面、侧面泵浦等多种耦合技术；激光组束技术等。

二、专利申请总体情况

本文使用国家知识产权局专利检索系统S系统，选取关键词［“高功率”“大功率”“高能量”“high power” “high energy”］和分类号［H01S3/067］，检索 CNABS 和DWPI数据库获得的专利申请作为研究对象（检索日期：2019年5月10日）。由于未申请提前公开的发明专利申请在申请日后18个月才公开，因此将导致部分专利申请由于未公开而不在本次文献采集之列。

2.1 专利申请量分析

图1示出了高功率光纤激光器历年专利申请量分布。就全球专利申请而言，20世纪90年代之前，专利申请量较少，原因在于光纤激光器尚处于基础理论和应用技术探索阶段，光纤损耗大、光纤材料制造等技术进展缓慢，限制了其发展，高功率光纤激光器技术处于萌芽期。

20世纪90年代中期之后，随着一系列关键技术研究实现突破，带动了高功率光纤激光器整体上获得较大发展，专利申请量呈快速增长态势，特别是进入21世纪以来，随着EDFA投入商业化应用，高功率光纤激光器行业呈现爆发式发展，高功率光纤激光器技术处于快速发展期。直到2012年前后，专利申请量逐渐回落，呈现下降趋势，显示了高功率光纤激光器技术已趋近成熟，相关技术已发展较为充分，高功率光纤激光器技术进入成熟期。

就国内专利申请而言，专利申请量变化趋势与全球专利申请情况大致相同。不同的是，一方面，国内企业和高校科研机构较国外起步较晚，直到2000年前后才有相关专利申请出现，基础研究薄弱，关键技术与国际先进水平还存在差距。另一方面，国内行业发展迅速，2000年后专利申请量快速增长，特别是进入2010年以来，在专利申请总量上已逐渐逼近甚至超越了发达国家，体现了我国追赶国际先进水平的趋势。

2.2 各国家/地区/组织专利申请量

图2示出了高功率光纤激光器专利申请地域分布，其中专利申请量前五位的分别是中国、美国、WIPO、欧洲和日本。中国和美国的专利申请占据了全球申请量的一半以上，分别占总量的31%和22%，表明中国和美国是高功率光纤激光器的主要创新市场。向WIPO提交的PCT申请，占全球申请量的11%，紧随其后的是向欧洲和日本提交的申请，分别占总量的11%和9%。此外，德国、韩国、澳大利亚分别占据全球申请量的4%、3%、2%。可见，由于高功率光纤激光器技术研发门槛较高，需要较大资金投入和高素质研发人员，其申请主要集中于全球主要创新市场。

2.3 专利申请人分析

图3示出了全球申请人分布，其主要来自于中国、美国和日本的大型集团公司/科研机构。其中，中国占据7个席位，美国占据2个席位，日本占据1个席位。这表明，上述 3 个国家在高功率光纤激光器领域承担着主要角色。具体而言，中国申请人主要集中于科研院所，包括国防科技大学、北京工业大学、上海光机所、西安光机所、北京交通大学、华南理工大学等。国外申请主要是业界的大公司，包括IMRA美国公司、IPG光子公司、SDL INC等。

图4示出了在华申请人分布，其主要来自于国内各科研院所，包括中国人民解放军国防科学技术大学、北京工业大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院西安光学精密机械研究所、北京交通大学、华南理工大学、中国兵器装备研究院、电子科技大学等，国内企业进入前10的只有山东海富光子，表明我国尚未形成以企业申请人为主导的产业格局。

三、专利技术分析

高功率光纤激光器涉及多种技术，通过笔者对本领域的了解和宏观数据分析后，发现高功率光纤激光器主要向三个方向进行发展，包括：增益光纤技术、泵浦耦合技术、激光组束技术。下面分别结合具体的专利申请对这三大类技术进行介绍，技术演进路线由图5所示出。

3.1 增益光纤技术

高功率光纤激光器增益光纤主要包括稀土掺杂双包层光纤和光子晶体光纤。双包层光纤有效地解决了泵浦光与光纤的耦合问题，由此显著地提高了光纤激光器输出功率。例如，US5530709A公开了一种稀土掺杂双包层光纤，其结构包括纤芯、内包层和外包层，各层之间折射率从内到外依次递减，将光限制于纤芯内，获得高功率输出EP2703854A1公开了一种双包层光纤，在芯区和内包层区之间设置沟槽区，获得高功率输出。光子晶体光纤是在光纤中沿轴向均匀排列空气孔，从光纤端面看，存在二维周期结构，由于PCF具有特殊的光学特性，在高功率光纤激光器中得到广泛应用。例如，US6301421B1 公开了一种稀土掺杂光子晶体光纤，包括掺杂稀土离子的第一单元，圆周围绕第一单元的多个第二单元，第二单元具有沿着光纤长度方向轴向通道。

3.2 泵浦耦合技术

高功率光纤激光器泵浦耦合技术主要包括端面泵浦耦合和侧面泵浦耦合技术。端面泵浦耦合技术将泵浦光聚焦到增益光纤端面处，直接耦合入增益光纤中。例如，US5892781A公开了一种端面泵浦耦合技术，将光纤光栅熔接在增益光纤一端，并与带尾纤的LD阵列熔接起来构成全光纤结构；CN105958308A公开了一种端面泵浦耦合技术，将多个泵浦LD通过合束器后对光纤端面进行集中泵浦。侧面耦合技术是将增益光纤的一段涂覆层和外包层剥离后，在内包层的一个侧面，泵浦光经耦合注入到内包层中。例如，US5854865A公开了一种侧面泵浦耦合技术，在裸露的内包层刻蚀V形槽结构，泵浦光经微透镜聚焦于V形槽后进入内包层内对纤芯 进行泵浦；US6370297B1公开了一种角度抛磨侧面泵浦耦合技术，通过将内包层沿纵向进行抛磨，得到抽运平面，并将端面成一定角度的泵浦光纤相对该平面贴合，泵浦光从光纤侧面以较大角度入射包层实现泵浦。

3.3 激光组束技术

激光组束技术主要包括非相干组束和相干组束。非相干组束是即波长组束，通过将多个相近激光波长叠加，在近场或远场获得光场分布叠加，实现高功率激光输出。例如，US6298187B1公开了利用波分复用器WDM将多个不同波长的光进行合束，获得高功率输出；CN1649220A公开了采用多根双包层光纤线阵排列形成光纤激光组束激光器，对波长进行非相干合成。相干组束是将多路激光经相干控制后合成一束光，获得高功率激光输出。例如，US5946130A公开了利用相位控制器控制激光相位，然后光纤耦合器将激光相干合成 ；CN101202417A公开了利用傅里叶变换控制光束空间分布，使各对激光关于中心轴对称，从而实现激光相干组束。

四、结语

通过上述专利分析，在高功率光纤激光器领域，发达国家仍占据主要份额，特别在工业化应用方面，美国IM⁃RA公司、IPG光子公司目前已有成熟的产品。我国虽然起步较晚，但发展迅速，目前已成该领域主要申请国家，但是我国申请人主要集中于科研院所，存在申请质量不高，核心技术仍未突破等问题。因此，我们应紧跟经济转型升级的大趋势，重点突破核心技术，实现高功率光纤激光器产业的可持续、跨越式发展。