摘要:在高功率光纤激光器和光放大器应用中，为了将泵浦能量有效地耦合到有源光纤中去，必须要求光纤的包层尺寸以及包层的数值孔径要大。并且，为了减小非线性效应，还要求在相对较大的纤芯内，稀土离子的浓度要高，数值孔径小。在军事和工业激光器应用中，为了获得超过100千瓦的功率输出，人们还通过对多个激光器/放大器的输出进行相干合束（coherent combination）。这个时候就需要保偏的双包层光纤（pm-dcf）。本文将重点论述目前在研制pm-dcf方面所取得的进展。我们还报道了一个具有熊猫型偏振分布的pm-dcf，其掺镱纤芯的值孔径为0.06，直径为30um。我们还将讨论在设计pm-dcf时必须重点考虑的几个关键因素。
关键词：掺镱光纤，保偏，保偏双包层光纤，大模场面积，激光器光纤，放大器光纤
1．概述
掺镱光纤在一个比较宽的波长范围内（从975纳米到1200纳米）具有非常高的输出功率以及非常优良的转换效率。和掺铒光纤不同的是，在掺镱光纤激光器和光放大器中可以避免激发态吸收和浓度淬火（concentration quenching）。掺镱光纤的这些特点，加上双包层技术的出现，使得业界开始对满足不同应用的高功率光纤激光器以及光放大器产生浓厚的兴趣。掺镱双包层光纤正日益引起人们的关注。其现有以及潜在的应用领域包括：军事，航空，材料处理,印刷和标刻,谱分析以及电信行业等。
对于许多高功率光纤激光器和光放大器应用而言，在稳定的线偏振状态下工作成为一个必要的条件。高功率光放大器（或者激光器）结构是基于对若干个光纤放大器的输出进行相干合束来实现的。随着对于输出功率超过100kw（连续）的军事和工业应用的需求不断增长，对于保偏的双包层光纤的需求也呈现不断上升的势态。曾经有报道描述过可以采用非保偏光纤实现保偏工作。不过，这些方案都存在局限性。而优选的方案还是采用保偏的双包层光纤。尽管无源的保偏光纤已经商用化多年，有源的保偏光纤直到最近才出现。kliner等人第一个报道了采用领结型保偏光纤制作出保偏掺镱双包层光纤放大器。虽然领结型保偏双包层光纤对于理论研究或者实验应用而言有其存在的价值，但是在光纤预制件的可生产性，一致性以及未来的性能升级等方面，领结型保偏双包层光纤依然存在大量不可克服的问题。
单模的掺镱双包层光纤非常适合于制造具有衍射极限的输出光束质量且结构紧凑的激光器。不过，输出功率的进一步提高却受到放大的自发辐射以及非线性效应，如受激拉曼散射（srs）以及受激布里渊散射（sbs）的限制。这些限制可以通过采用具有大模场面积（lma）低数值孔径的单模光纤来克服。纤芯的低数值孔径能够抑制自发辐射的产生，大的模场面积能够有效提高产生srs和sbs的阈值。另外一个方法是，研究人员使用掺稀土元素的多模光纤，结合以下几个技术手段来抑制高阶模式的产生：第一，光纤采用特定的绕线方式；第二，优化种子光束（seed beam）的注入条件；第三，采用特定的折射率分布以及掺杂分布来设计光纤；第四，采用特定的腔体设计。通过采用多模光纤，结合特定技术手段可以实现光纤的单模工作，并且能够达到和大模场面积光纤类似的性能。
从长远来看，为了满足连续输出高达100kw的高功率激光器和光放大器的应用，很有必要开发出保偏的，低数值孔径，大尺寸纤芯的光纤。除此之外，因为光放大器结构设计中可能会涉及到几十个，或者几百个光放大器的相干合束，所以在选择预制件以及光纤制作技术的过程中，我们必须充分考虑到预制件以及光纤的批量生产能力的可升级性以及这些产品的生产一致性。本文将要讨论该如何确定相应的技术。我们还会进一步讨论设计上的考虑以及开发大尺寸纤芯，低数值孔径的掺镱熊猫型pm-dcf的技术进展。我们还报道了一个具有0.06的数值孔径，30um的掺镱纤芯以及数值孔径为0.37，400um内包层直径的熊猫型pm-dcf。
2．设计，制作和分析
2.1领结型保偏双包层光纤
作为本文研究工作的一个部分，我们对于采用mcvd制作领结型保偏双包层光纤的过程进行过评估。图1（a）是制作领结型保偏光纤的各个步骤。衬底（substrate）是采用高质量的合成石英管。在其旋转的过程中，在它的内壁上淀积若干层的硼硅酸盐（borosilicate）玻璃。接下来，衬底停止旋转。用一个带状烧结机（ribbon burner）给衬底的某个局部进行烧结，玻璃中的硼就会从淀积层中选定的局部挥发出去。接下来，衬底旋转180度并进行同样的操作。在这一过程中，必须保证产生硼挥发的两个局部是圆心对称的，并且尺寸也是一样。在掺镱的纤芯淀积之前，还需要在内壁上再淀积若干层的玻璃。这些玻璃层是作为硼硅酸盐应力成分与纤芯之间的缓冲层，保证瞬逝场（evanescent field）不会在应力成分中传播太久。掺镱的纤芯采用溶液掺杂技术（solution doping）淀积到衬底中。最后，具有若干个淀积层的衬底（管）坍塌后形成一个棒。坍塌后的预制件被进一步处理获
