摘要：和传统的固体激光器相比，光纤激光器在体积、可靠性、波长选择性、散热以及插头效率、运行费用等方面具有多项优势。并且，光纤激光器在运行过程中，不需要主动冷凝技术以及繁琐的光学准直操作。因此，光纤激光器正逐步成为工业激光应用中的热点。
1999年，世界上第一台具有100瓦连续输出的单模光纤激光器问世，标志着高功率光纤激光器成为现实。不过，人们很快就认识到，为了获得更高功率的输出，常规的“小芯径、大数值孔径”的光纤设计已经不适合大功率输出的应用。具体原因在于，这种常规的光纤在大功率应用情形下，其固有的非线性效应（如sbs、srs以及自相位调制）限制了输出功率的进一步提高。而具有高稀土元素掺杂浓度，同时其芯径相对较大而数值孔径相对较小的所谓“大模场面积”（lma）光纤却能够克服这些限制。随后，通过采用这种lma光纤，人们最近成功实现了在一根光纤上产生具有衍射极限光束质量、输出功率达到千瓦级的高功率光纤激光器。
为了进一步提高输出功率，可以将多个光纤激光器的输出合并。对于一些工业和军事应用，激光器的输出功率需要达到几个千瓦或者几百个千瓦。对这类高功率应用而言，如果能够实现多个光纤输出的相干合成并束，来获得较大的功率输出将非常具有吸引力。而为了获得相干合成并束，要求有源光纤具有保偏特性。这一需求增加了光纤设计的难度。不过，这种光纤目前已经成功地研制出来。本文讲主要谈到最近在光纤设计上的若干进展，以及这些进展如何能够促进大功率光纤激光器或者光纤放大器的发展。
关键字：双包层光纤(dcf)、大模场面积光纤（lma）、保偏、光纤激光器
1.概述
掺镧石英光纤激光器早在60年代就问世了。不过，这种激光器的可以达到的总的输出功率最终受到一个因素的限制：需要将泵浦能量直接注入到光纤纤芯。这种激光器的输出功率典型值在几十个毫瓦或者几百个毫瓦。和nd：yag固体激光器以及气体激光器相比，它们并不具备什么优势。不过，随着1988年包层泵浦光纤设计的出现，人们突破了上面提到的这一限制。到了1999年，世界上第一个连续输出超过100瓦的单模光纤激光器问世。由于不需要将泵浦能量直接耦合到模场直径相对较小的光纤中去，人们可以采用低成本的、大模场（多模）、高功率的半导体激光器作为泵浦源。
对于某些应用，如自由空间光通信（fso），需要激光器工作在对人眼安全的1.5-2微米的波长范围。传感器和医疗应用也对工作波长有特殊要求。对于波长有各种特定要求的应用，必须采用不同的镧系元素，如ne、th或者铒镱共掺来实现。对波长没有特殊要求，只是要求输出功率高的应用而言，镱元素则具有独到的优势。表现在，掺镱光纤能够在一定的波长范围内（从975纳米到1200纳米）实现波长可调的高功率输出。因为镱元素的吸收谱比较靠近荧光谱，它的量子缺陷（quantumdefect）相对较低。因此，只有很少部分的泵浦能量被浪费。不仅如此，和镧系元素不同的是，镱元素只有一个单一的激发态，因此，它不会受“激发态吸收”（esa）的干扰，也极少产生自淬火现象。因此，可以使用高浓度的镱离子，同时又获得高的转换效率（典型值大于75％）。考虑到这些因素，激光器行业已经将关注点转向掺镱光纤的开发。接下来的讨论也将主要集中在这些光纤的设计问题上。
2.大模场面积掺镱光纤（lma-ydf）
在一个双包层光纤的单模纤芯中实现具有衍射极限光束质量的输出并不是不可能。不过，这样的设计会限制可以获得的总的输出功率。在脉冲激光器中，还会限制到平均功率、峰值功率以及脉冲能量的大小。原因在于：对于脉冲应用而言，由于能量储存能力低以及光纤固有的非线性效应。能量储存的能力取决于最大的可获得的粒子数反转以及激活粒子数目这两个因素，而粒子数反转又取决于受激的自发辐射发生的概率。高掺杂、大模场面积光纤能够突破这些限制。通过增大纤芯直径以及减小其数值孔径，激光器是可能单模运作的。并且可以同时减少自发辐射被纤芯俘获的几率，减少光纤内的功率密度，进而提高产生非线性效应的阈值。不仅如此，对于一个给定的玻璃掺杂浓度以及包层直径而言，其总的激活粒子数目，以及能量储存能力也随着纤芯直径平方值的增加而增加。因此，我们完全可以通过减小光纤的长度来进一步提高产生非线性效应的阈值。
当然，对于纤芯直径来讲，并非越大越好。存在一个上限，超过这个上限，就不能保证光纤处于单模运作状态。并且，如果数值孔径太低（小于大概0.06），光纤开始表现出非常大的弯折敏感性。因此，这些因素确定了光纤数值孔径的下限以及光纤纤芯直径的上限。好在我们可以采用多项不同的技术来抑制高阶激发模式的产生，因此，即便光纤纤芯直径相对较大（这时光纤实际上处于多模运作状态），光纤也可以产生具有衍射极限光束质量的输出。这些技术包括光纤折射率分布的设计、掺杂的设计、特殊的腔体设计、光
