第一篇 有源光纤与光纤激光概述
第1章本篇绪论
第2章有源光纤与光纤激光基础
第3章本篇结束语
第1章 本篇绪论
稀土掺杂光纤激光器在器件结构、设计集成、热管理、输出性能等方面均比传统固体激光器更加紧凑、简单、高效、稳定，展现出显著的应用优势，已成为当前从基础科学研究到广泛工业应用极富竞争力的高性能激光光源。
掺杂光纤放大器利用稀土掺杂石英玻璃光纤或特种玻璃光纤作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，光纤放大器的特性主要由掺杂元素决定。工作波长为1.5μm的掺铒光纤放大器（EDFA）是目前光纤通信系统核心器件之一。
有源光纤是光纤激光器和光纤放大器的核心增益介质，从根本上决定了器件的性能和应用潜力。有源光纤主要包括石英玻璃有源光纤、特种玻璃有源光纤和新型有源光纤。
石英玻璃光纤具有物理与化学性能稳定、机械强度高、损耗低、抗损伤阈值高、易于加工与制造、工艺成熟等优点，是目前光纤通信系统、低损耗光纤放大器和大功率光纤激光器的首选。
特种玻璃光纤具有稀土离子溶解度高、声子能量可控、折射率可调、发光效率高、发射带宽可调等优势，可望成为新一代光纤通信、高性能光纤激光与光纤传感器等的重要候选。
1.1 内容概览
开篇第1章简要介绍光纤激光器、光纤放大器与有源光纤的发展与应用。第2章介绍有源光纤与光纤激光基础，主要包括光致发光基础、受激辐射与激光基础、光纤激光器基本原理、光纤放大器基本原理以及激光增益介质概况。第3章简要总结本篇要点，给出有源光纤与光纤激光面临的挑战与发展。
1.2 研究进展
激光与原子能、半导体、计算机并称为20世纪新四大发明，是促进产业技术升级，驱动高端装备制造、新一代电子信息、生物医药等战略性新兴产业发展的“国之重器”和“动力源泉”。
1960年梅曼（Maiman）发明了第一台红宝石激光器，开启了激光科学技术研究与应用发展的新篇章。随后，各类激光器相继问世，包括氦氖激光器、砷化镓半导体激光器等，极大地推动了激光科学与技术的迅速发展。按工作介质分，激光器可分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器和染料激光器四大类，近年来还发展了自由电子激光器。
20世纪80年代中后期，随着掺杂光纤制备技术和半导体激光器的日益成熟，光纤激光器研究与应用取得了重大进展，光纤激光器在输出功率与效率、输出波长与调谐范围等方面均显著提高。以稀土元素掺杂的有源光纤作为增益介质构造光纤激光器，在器件结构、设计集成、输出性能上比传统固体激光器更加紧凑、简单、高效、稳定。光纤激光器凭借其特殊的光波导结构，在热管理、光束质量控制以及系统集成性和稳定性等方面相对传统激光器展现出显著的应用优势，在过去的数十年间实现了跨越式发展，成为当前从基础科学研究到广泛工业应用极富竞争力的高性能激光光源。
1.2.1 光纤激光器进展
1961年，美国光学公司采用氙灯泵浦掺Nd3+玻璃棒实现了激光输出，为光纤激光器的诞生奠定了基础[1]。三年后，他们演示了世界上首台光纤激光器，即掺Nd3+钡冕玻璃光纤激光器，拉开了光纤激光器的研究序幕[2]。此后的很长一段时间内，光纤激光器发展缓慢甚至停滞不前，其原因主要是受当时光纤制备工艺技术不成熟和缺乏半导体二极管泵浦源的限制。当时的半导体激光器泵浦源不能在室温下长时间连续工作，使得光纤激光器和光纤放大器难以投入实际应用。直到20世纪80年代中期，随着光纤通信的迫切需求和快速发展，光纤制备工艺和半导体技术日趋成熟，特别是采用改进的化学气相沉积（MCVD）法制备低损耗石英玻璃光纤（也称石英光纤）之后，光纤激光器与放大器才进入了高速发展时期。石英光纤一般是由掺杂石英玻璃纤芯和石英玻璃包层组成的光纤，具有机械强度高、弯曲性能好以及很容易与光源耦合等优点，广泛用于商用光纤激光器。1985年起，英国南安普敦大学在石英光纤的纤芯中掺杂各种稀土元素，实现了不同波段的光纤激光输出[3-10]。然而，由于当时一些客观条件的制约，如制备的光纤为单包层结构，很难将泵浦光高效耦合到光纤纤芯，并且泵浦源昂贵且输出功率和耦合效率低，严重阻碍了光纤激光器功率的提高。因此，当时的光纤激光器被认为只能是一种低功率的光学器件。直到20世纪80年代末，双包层石英光纤的发明结束了光纤激光器小功率输出的历史。之后，双包层光纤广泛应用于大功率光纤激光器，并且获得了千瓦甚至万瓦量级的高功率激光输出[11]。随着高功率半导体泵浦源的商业化和光纤制备工艺技术的日益成熟，以及双包层和微结构光纤等新型光纤结构设计、包层泵浦和激光合束等技术及其相关理论研究的快速发展与实际应用需求的驱动，光纤激光器在高功率、高效率、新波段等方向迅猛发展[3，9-11]。此外，通过设计新型光纤结构、优化光纤参数以及利用调Q、锁模、功率放大等激光技术，光纤激光器还可以实现极高光学品质的超窄线宽单频激光输出、超短脉冲超高重频飞秒激光输出等。
21世纪以来，研究者已经基于稀土离子掺杂有源光纤将光纤激光器的发射波长范围从紫外、可见光波段拓展到远红外至近中红外波段[12]。图1-1给出了近中红外稀土掺杂光纤激光器研究进展示意图，同时，表1-1列出了相关代表性成果的增益介质和激光特性参数[13-32]。具有代表性的近红外-中红外光纤激光器包括：发射波长为0.9～1.1μm的1μm光纤激光器，发射波长为1.5μm的1.5μm光纤激光器，发射波长为1.9～2.5μm的2μm光纤激光器，发射波长为2.7～3.1μm的3μm光纤激光器。这些不同波段的激光输出是通过在有源光纤纤芯中掺入不同的稀土离子实现的，主要包括钕（Nd3+）、镱（Yb3+）、铒（Er3+）、铥（Tm3+）、钬（Ho3+）、镝（Dy3+）、铈（Ce3+）、铽（Tb3+）等。
图1-1 近中红外稀土掺杂光纤激光器研究进展示意图
表1-1 近中红外光纤激光器的增益介质和激光特性参数
掺Yb3+石英光纤激光器是目前平均输出功率*高的光纤激光器，具有可匹配商用大功率激光二极管（LD）吸收带和较低的量子亏损等优点。在过去30多年里，掺Yb3+石英光纤激光器的输出功率从几瓦成倍增长到工业级的100kW[13]。Yb3+、Nd3+和Er3+掺杂光纤激光器在高功率激光器和飞秒光源的应用上也都取得了巨大成功[14]。将工作波长从传统的通信窗口扩展到近中红外区域，可以为科学探索和技术进步提供巨大机会。在探索新型近中红外波段掺稀土玻璃、有源光纤和光纤激光的过程中，寻找具有高效发光和足够强度的玻璃基质是目前面临的主要挑战[15-17]。与石英玻璃光纤相比，氟化物玻璃光纤具有声子能量低、红外透过范围宽等优点，适合于实现2～3μm波段的激光输出[18]。然而，氟化物玻璃存在一些固有缺点，如物化性能较差、机械强度低、原料毒性大等，导致其性能和应用受限。硫系玻璃是除了氟化物玻璃之外的另一种重要的红外透过材料，具有更低的声子能量、更宽的红外透过范围、大的吸收和发射截面，适合于实现3μm以上波段的激光输出，因此受到广泛关注[19，20]。南安普敦大学早期报道了1μm掺Nd3+硫系玻璃光纤，俄罗斯科学院通过制备低损耗掺Tb3+硫系玻璃光纤将激光输出波长拓展到中红外5.38μm[21，32]。然而，硫系玻璃的高毒性和脆性以及低稀土溶解度不利于中红外激光的输出及应用。除了氟化物和硫系玻璃光纤，多组分氧化物玻璃光纤由于其稀土掺杂量高、声子能量适中等优点而获得格外关注，特别是在近中红外单频和高重频光纤激光器中得到了广泛研究与应用。
一般，长波长波段的激光输出功率远小于短波长波段，如图1-1和表1-1所示。当把光纤激光器产生的*大连续波输出功率以发射波长为函数作图时，可以看到*大输出功率随波长增加呈指数衰减，如图1-2所示。功率下降的主要原因是在长波长处激光的量子亏损增加。由于光纤激光器通常采用商用808nm和/或980nm半导体激光器作为泵浦源，这种泵浦方式在获得长波段激光时较大的量子
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