技术的应用与优化方案

近红外波段（简称近红外）的光纤激光器发展相对比较成熟，目前已有商用掺Yb3+和掺Er3+的石英光纤激光器，分别工作于1.0μm和1.5μm波段。受限于石英光纤中稀土离子溶解度，石英光纤增益系数低。磷酸盐玻璃稀土离子溶解度比石英玻璃高23个数量级，但其化学稳定性较差，不宜长时间暴露在空气中。因此，研究者提出采用石英系玻璃作为包层，高掺杂稀土多组分磷酸盐玻璃作为纤芯，制备玻璃－玻璃复合光纤。2006年，Martin和Knight报道了石英包层高掺杂Nd3+磷酸盐玻璃纤芯复合光纤，该光纤实现了1.06μm的激光输出，斜率效率25%，激光阈值350mW［13］。2015年，Egorova等报道了掺杂Yb3+磷酸盐玻璃纤芯－石英包层复合光纤，该光纤实现了激光斜率效率高达74%的1.018μm激光输出，测得激光M2因子低至1.051.22［14］。上海光机所胡丽丽研究组采用Yb3+掺杂磷酸盐玻璃纤芯－硅酸盐玻璃包层复合光纤，实现了斜率效率为14.6%、功率为5 W的1.027μm激光输出［15］。这类光纤能避免纤芯因高掺杂稀土离子而产生的析晶问题，可以实现高增益系数，并能和标准石英光纤实现低损耗熔接。得益于磷酸盐玻璃高的掺杂浓度，在实现同等增益时，光纤的长度可比石英光纤缩短几倍，有利于器件小型化［16］。同时，由于其包层为石英玻璃，机械强度高、耐候性更强，因此可以长期暴露在空气中而不至于吸水劣化。

除了提高稀土掺杂浓度之外，还可通过晶化提高发光强度和发光效率，改善光纤的导热性，从而提高激光损伤阈值和激光输出功率［17，18］。相比于玻璃基质，在晶体介质中激活离子不仅可以避免基质玻璃的激发态吸收和自发辐射噪声，还可以在相同的泵浦功率下实现更高的增益。2010年，Paul等制备了掺Yb3+的YAG纳米晶玻璃复合光纤，在975 nm激光的泵浦下获得了激光的输出，斜率效率高达83.0%［19］。2016年，Baker等在Er3+掺杂α－Al2O3纳米晶纤芯－石英包层玻璃复合光纤中，获得了1560 nm激光的输出，斜率效率高达71.5%［20］。但纳米晶和晶体复合的光纤目前由于晶粒散射损耗和界面损耗等问题，激光性能还有待进一步改善。

近红外光纤激光的另一个重要发展方向是研制千瓦级以上高功率激光。近几十年来，高功率光纤激光器的发展主要得益于两方面的技术突破：一是半导体激光器的技术进步，实现了波长匹配度较高的高功率泵浦光源；二是复合光纤的发展，提高了光纤泵浦吸收效率、激光损伤阈值和发光效率，降低了损耗，从而提高激光输出功率。

初期高功率光纤激光是基于传统的单模石英光纤实现的。然而，传统单包层小芯径光纤对泵浦光吸收效率较低，且受限于非线性效应，即使通过组分优化也难以大幅度提高输出功率。1988年，Snitzer等提出了双包层光纤的概念，大大提高了泵浦吸收效率，为实现高功率光纤激光提供了全新的解决方案［21］。随后，人们又发现：与纤芯同轴的圆形包层对称形状导致部分泵浦光在包层中形成螺旋光，不仅无法被纤芯吸收，还造成热负荷增加。于是，研究人员设计出八边形和D形等不同的内包层形状［22，23］，进一步提高了泵浦吸收效率。得益于包层泵浦技术的发展，光纤激光器的功率实现了从毫瓦级到瓦级，直至万瓦级的跨越［24，25］。2004年，Jeong等基于内包层为D形的Yb3+掺杂双包层光纤，研制出首台1.1μm千瓦级单模光纤激光器，激光输出功率1.36 kW，斜率效率高达83%，光束质量M2因子1.4［10］。2010年，IPG公司的Fomin等通过包层泵浦技术在1.1μm实现了10 kW的连续激光输出［26］，几乎是单模光纤激光器的极限值。2013年，Shiner则通过包层泵浦技术在多模光纤中实现了100 kW的连续激光输出［27］。(www.xing528.com)

虽然目前光纤激光器的输出可以达到万瓦级，然而，高功率激光输出会导致光纤功率密度过高，易引起严重的非线性效应并产生光纤损伤，导致模式不稳定、光子暗化等问题，破坏了光束质量，限制了输出功率的进一步提高。如何在提升激光器输出功率的同时保证光束质量仍是目前研究的热点和难题。随着越来越多的新基质、新结构复合光纤被引入到光纤激光系统中，这一问题得到了较好的解决［28－33］。

为维持高功率光纤激光的模式稳定性，通常采用单模光纤，将光纤的数值孔径NA控制在较低的水平（0.05）。因此，传统的单模光纤芯径很小（10μm），在承受大功率密度激光的情况下很容易出现损伤。可以在纤芯稍大（2030μm）的光纤中，通过弯曲选模法来获得单模；但弯曲选模法对包层和纤芯的折射率差有一定要求，而较高折射率差使得纤芯面积难以增加，这一矛盾限制了光纤激光功率的进一步提升。针对这一问题，一些特殊结构的光纤被研发出来。1996年，Scifres提出了一种在同一个包层下具有多个纤芯的多芯光纤（multicore fiber，MCF）［34］。多芯光纤能达到非常大的有效模场面积，提高非线性阈值，利于散热，从而提高输出功率。同时，多芯光纤由于芯间强耦合作用会产生不同类型的超模，当抽运光功率超过一定的阈值时，产生同相位超模。因此可以通过设计不同的纤芯大小及芯间距离来进行选模和稳定模式。2001年，Cheo等利用双包层7芯光纤搭建系统，发现当抽运光功率超过阈值5倍时，同相位超模出现，而其它相位模式被抑制，中心光束占据80%以上的输出功率，且测得激光斜率效率为65.2%［35］。2008年，Wang等设计了一种掺镱多芯单模微结构光纤：通过改变空气孔的尺寸和间距，选出掺镱多芯光纤中的同相位超模，通过模拟获得在抽运光功率为600 W的条件下460 W的激光输出；其中同相位超模的比例占95.6%［36］。2013年，Prudenzano等采用19芯单模光纤，得到斜率效率为81%、M2因子为1.05、最高输出亮度为32GW·cm2·sr的激光［37］。光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF）具有无截止单模特性，在大功率光纤激光器模式控制方面也呈现出优异的性能。2003年，Limpert等基于全反射型光子晶体光纤的无截止单模特性，设计了大等效模场面积（350μm2）的掺Yb增益光子晶体光纤，该光纤实现了80 W的激光输出［38］。2012年，Stutzki等报道利用大节距光子晶体光纤实现了M2＜1.3、平均功率130 W的近衍射极限高功率输出［39］。大节距光子晶体光纤能够产生较强的高阶模离域效应，使得高阶模与纤芯的重叠因子很小，从而实现有效的高阶模抑制。

使用光纤缠绕也是抑制高阶模式的一种方法。由于光纤卷绕时，高阶模的弯曲损耗比基模弯曲损耗大，从而可以抑制光纤中的高阶模，提高光纤激光器的输出功率。但对于给定了数值孔径的光纤，若缠绕半径较小，会使模场分布变形，减小了模场分布的有效面积，导致光纤热效应和非线性效应增加［40，41］。在大模场光纤中，由于手性耦合芯光纤的高阶模式损耗大于基模损耗，所以可不必借助卷绕方法而非常好地抑制高阶模，避免上述弊端。通过合理设计手性耦合芯光纤中边缘芯螺距和芯偏移量，可以得到大芯径单模光纤。螺旋芯光纤具有产生圆双折射的特性，若芯径尺寸足够大，则可用于光纤激光器和放大器之中，使激光保持线偏振或圆偏振传播。2006年，英国南安普敦大学的研究人员将手性耦合芯光纤用于大功率激光器，在1083 nm实现了60.4 W单模输出，斜率效率达到84%［42］。2009年，Huang等［43］利用单螺旋芯光纤提高了光纤的有效面积，实现了250 W严格单模输出；同时，由于光纤盘绕弯曲半径很大，几乎没有弯曲损耗。