第1章 绪论
高功率脉冲光纤激光器作为一种重要的应用光源，与传统的固体激光器相比，具有更高的电光转换效率、更高的光束质量、更好的稳定性和更高的功重比等优势，在激光加工、生物医学、军事国防和前沿科学等众多领域具有重要的应用价值。随着光纤关键器件及技术的突破，脉冲光纤激光技术发展日新月异，在时域上由纳秒脉冲向超短脉冲方向快速发展，在频域上进一步向窄线宽和宽光谱等方向极大拓展。
纳秒脉冲光纤激光技术是激光领域的一个重要发展方向，除了具有光纤激光器本身的电光转换效率高、增益带宽宽、光束质量高、稳定性好、体积小等优点，还具有脉冲宽度、重复频率及输出波段灵活可控等*特优势。随着纳秒脉冲光纤激光的功率、能量、效率及稳定性等性能不断攀升，其在激光加工、激光雷达、军事国防、医疗卫生等领域具有广阔的应用前景。通常在主振荡器后采用腔外调制技术实现纳秒脉冲光纤激光输出，该方法灵活简便，能够获得脉冲形状、脉冲宽度和重复频率可控的纳秒激光脉冲。单一振荡器结构受限于泵浦耦合效率低、调制损耗大、非线性阈值低等因素，难以实现高功率或大能量的纳秒脉冲光纤激光输出，而主振荡功率放大(master oscillator power amplification，MOPA)结构是提升能量/功率的有效手段。随着超大模场光纤(百微米芯径)、光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)的出现及相应器件承受功率的提升，纳秒脉冲光纤激光放大器目前已经实现了百毫焦量级的单脉冲能量、千瓦量级的平均功率和兆瓦量级的峰值功率。然而，在进一步放大的过程中，受限于光纤中极强的非线性效应(受激拉曼散射(stimulated Raman scattering，SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering，SBS)等)，在高功率下会产生新频率的激光和反向激光脉冲，造成脉冲质量下降、转换效率降低甚至损伤等问题。另外，放大过程中产生的自发辐射光放大成分也会对放大器的信噪比、增益和稳定性造成影响。针对以上问题，在纳秒脉冲光纤激光光源中，发展光纤固体结合方式，以光纤级联放大器作为前端，利用光纤结构的小信号放大能力，通过固体放大器作为后端有效避免了光纤中的非线性效应，从而大幅度提升纳秒激光的单脉冲能量。除此之外，设计与制备新型增益光纤等器件、通过光纤激光同带泵浦方式减小量子亏损、通过相干合成技术提高激光功率等技术手段也会在提升纳秒脉冲光纤激光性能方面体现重要价值，并成为纳秒脉冲光纤激光发展的新趋势，从而使纳秒脉冲光纤激光在现代军事国防、工业、医疗等领域发挥出更大的作用。
高功率高能量超快激光技术的发展与应用成为当前国际上*为活跃的科学前沿研究领域之一。自20世纪80年代以来，随着锁模理论的发展和实验验证以及大模场双包层光纤和光子晶体光纤制作工艺的完善，同时结合啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification，CPA)技术，显著促进了高功率高能量超短脉冲光纤激光的研究进展。包层泵浦思想的提出，以及大芯径双包层光纤、光子晶体光纤和棒状光纤的研制成功使得高功率的多模泵浦激光高效率地转换为单模纤芯模式，激光输出功率或者能量都得到有效提高。光纤激光器的迅猛发展打破了气体和固体激光器的长期垄断，以光纤作为增益介质的激光器除了性能可靠稳定，还弥补了固态、薄片和板条激光器在散热性、增益和光束质量上的严重缺陷，成为超快激光领域的研究热点。相比于其他稀有元素掺杂的增益光纤，由于较低的量子缺陷和高的光光转换效率，Yb掺杂的增益光纤是*有潜力的实现高功率激光运转的一种增益介质。尽管光纤激光器具有诸多优势，但是其较小的模场面积和激光脉冲需在其中传输较长的距离，即使对于峰值功率较低的激光脉冲，其在传输过程中都会累积大量的非线性相位，导致压缩后的脉冲质量变差，因此使得其在实际的超短脉冲激光领域中对功率、能量和脉冲宽度等激光参数的进一步扩展受到阻碍。对于光纤中非线性效应的产生，考虑到光纤的各向同性和轴对称等特征，其主要起源于三阶极化率χ(3)，主要包括自相位调制(self-phase modulation，SPM)、参量过程和受激非弹性散射等过程。因此，在光纤激光系统中若对功率和能量做进一步扩展，为了尽可能减少非线性相位累积，目前常用的方法主要是基于脉冲时域展宽和空域增大纤芯有效横截面积两种方法。时域展宽主要是基于成熟的CPA技术，即将待放大的种子源脉冲在时域上尽可能扩展以降低其峰值功率，从而降低其在放大过程中引入的非线性相位，*后通过反常色散的压缩元件将其进一步压缩获得高功率和高能量的超短脉冲激光输出。光纤放大中CPA技术需要比较大的展宽量，目前受到展宽器件和压缩器技术限制，以及增益窄化、色散失配和非线性积累的影响，压缩后的脉冲宽度和脉冲质量有所牺牲。但是，非线性也可以被有效地利用，目前抛物线型脉冲放大(parabolic pulse amplification，PPA)技术、预啁啾管理放大(pre-chirp managed amplification，PCMA)技术及增益管理非线性放大(gain-managed nonlinear amplification，GMNA)技术在放大过程中利用色散和非线性的相互作用，可以实现更宽的输出光谱和更窄的脉冲宽度。此外，各种相干合成技术的出现，突破了单根光纤的功率和能量限制，使得放大器的输出平均功率可以到千瓦(kW)量级、峰值功率可以到吉瓦(GW)量级。对于空域，主要是靠增加增益光纤的纤芯直径或者有效截面积和减小增益光纤的长度来实现。因此，高掺杂的大芯径双包层光纤、大模场光子晶体光纤以及棒状光子晶体光纤的出现对高功率高能量超快光纤激光放大器的发展注入了新的活力。近几年来，光纤激光器各个方面的性能逐步提升，如新的工作波长、更短的脉冲宽度和更高的输出功率及能量。如今，光纤激光器的发射波长范围已从紫外波段到可见-近红外波段，甚至到中红外波段。在脉冲光纤激光器中，由于光纤具有良好的散热能力和较宽的荧光发射谱线，具有千瓦量级平均功率的飞秒脉冲以及短于10fs的超短脉冲均已经实现。因此，超短脉冲光纤激光器具有简单紧凑的结构、高效的散热性和高质量的脉冲输出等优点，广泛应用于光通信、时间分辨光谱学等领域，在生物医学诊断领域取得了常规手段不可比拟的成绩。例如，飞秒脉冲是探测原子内部超快反应过程的重要手段；超高峰值功率的脉冲可用于激光微加工、激光惯性约束核聚变等领域；超宽光谱特性促进相干断层扫描成像和宽带激光通信等领域的发展。
近年来，超短脉冲光纤激光器从频域上正在由近红外向中红外波段发展，中红外波段包含了重要的大气透过窗口和许多分子的特征吸收谱，因此该波段的超短脉冲激光在痕量气体测量、生物医疗、光电对抗和前沿物理等领域显示出重要应用前景。得益于此，人们对中红外波段(2～5μm)的脉冲光纤激光技术也越发重视，且在过去十几年发展迅速。与近红外波段脉冲光纤激光器不同，中红外脉冲光纤激光辐射所对应的能级间隔非常小，辐射过程很容易受到光纤基质玻璃多声子辅助无辐射跃迁的影响，导致中红外光辐射效率很低，无法采用稀土掺杂石英光纤作为激光增益介质实现激光产生，而必须选择声子能量更低的中红外光纤。因此，在中红外超短脉冲光纤激光的早期研究阶段，人们主要致力于探索高质量的中红外玻璃基质材料，力求寻找到低声子能量且易制备成低损耗光纤的玻璃。直到20世纪70年代，一种高质量氟化物玻璃(ZBLAN玻璃)的出现，使中红外脉冲光纤激光技术进入了蓬勃发展的阶段。迄今为止，人们在中红外脉冲光纤激光技术领域取得了显著的成果，已实现了多个波长、不同脉冲参数的中红外脉冲光纤激光输出。在输出波长方面，基于稀土掺杂的氟化物光纤，已获得了多个波段(2.3μm、2.8μm、3.5μm、3.9μm等)的中红外脉冲光纤激光输出，近年来，得益于硫系玻璃(声子能量更低)光纤技术的突破，在光纤中直接产生的*长激光波长已达5.2μm。在中红外脉冲激光器方面，已有关于中红外波段调Q和锁模激光相关的研究工作报道。然而，中红外超短脉冲光纤激光器的研究仍存在许多关键技术问题和科学难题亟待解决，主要体现在：中红外波段量子亏损严重，电光转换效率低；放大系统中极强的非线性效应造成脉冲的严重畸变；全光纤中红外器件的严重缺失，使中红外脉冲光纤激光的性能提升与实际应用均非常受限。除此以外，人们也探索其他可用于产生中红外脉冲激光的技术方法，尤其是随着光纤制备技术的快速发展，人们可以精确调控光纤的色散、非线性和模式特性等参数，使光纤中的非线性效应成为一种产生中红外脉冲激光的有效手段。与稀土掺杂光纤激光器不同，非线性效应中红外脉冲光纤激光器输出波长更加丰富，且激光产生过程不需要复杂的脉冲调制技术，所产生的中红外脉冲光纤激光的性质主要取决于前端的泵浦光源。*常用的非线性效应主要是孤子自频移效应、受激拉曼散射效应、红移色散波，以及综合了多种非线性效应的超连续谱产生技术。在间接产生方案中，作为泵浦源的近红外光纤激光技术相对较为成熟，输出功率已达千瓦级甚至万瓦级，脉冲参数也极尽丰富。相对而言，作为非线性介质的中红外光纤各方面性能尚存在较大差距，主要是中红外玻璃材料普遍存在玻璃化转变温度低(比石英玻璃低数百摄氏度)、机械强度低等缺点，导致其很难承受较高功率的激光传输(普遍低于数十瓦)。因此，间接产生的中红外脉冲光纤激光器的研究重点大多集中于新型中红外玻璃材料探索和优化、光纤结构设计与制备、异种光纤低损耗熔接、非线性效应精确调控等方面。中红外脉冲光纤激光技术显示出快速的发展趋势，尽管中红外脉冲光纤激光器当前在激光技术和市场中占有量较小，但中红外脉冲光纤激光的技术研究和产业应用，将带动激光手术、激光美容、材料处理、自由空间光通信、战场光电对抗等体量巨大的产业发展，是激光领域的下一个新机遇。
随着科技水平和工业水平的不断发展，越来越多的领域对脉冲光纤激光器提出新的更高的需求，如更高的输出功率、更高的光光转换效率、更好的光束质量、更便捷的使用性、更好的稳定性等。高功率脉冲光纤激光器作为第三代激光技术的代表之一，正在激光技术领域和人类生产生活中迸发出新的活力。
第2章 脉冲光纤激光技术及关键器件
2.1 脉冲光纤激光产生技术
在光纤激光器中，激光脉冲产生方式主要有腔内调Q、腔外调制和被动锁模。腔内调Q和腔外调制技术主要用来实现纳秒脉冲光纤激光输出，其中，腔外调制技术可以通过腔外直接幅度或强度调制获得脉冲形状、脉冲宽度和重复频率可控的纳秒脉冲光纤激光输出；被动锁模技术可以实现皮秒到飞秒量级超短脉冲激光输出。本节主要介绍腔外电光调制、腔外声光调制和被动锁模的基本原理。
2.1.1 腔外调制技术
在光纤激光器中，由于腔内调Q获得的纳秒脉冲光纤激光稳定性较差，且光纤Q开关器件承受功率有限，难以在腔内实现高功率纳秒脉冲光纤激光输出。当前光纤中获得纳秒脉冲光纤激光输出的主要手段是采用腔外直接调制技术，能够得到脉冲形状、脉冲宽度和重复频率可控的纳秒脉冲光纤激光输出。目前，大多数激光器中使用的调制方式都是强度调制，即以光的强度作为调制对象，光载波电场振幅的平方与外加调制信号强度成正比。因此，若加载到载波上的调制信号按照特定的规律变化，则载波信号也会随之改变，从而达到激光调制的目的。目前，常用的激光强度调制器件是电光调制器(electro-optic modulator，EOM)和声光调制器(acousto-optic modulator，AOM)，调制后获得脉冲输出的示意图如图2.1所示。
图2.1 激光强度调制原理示意图
1.电光调制
EOM主要是利用晶体的克尔效应，通过外加电场来改变调制器内晶体的折射率，经过晶体的不同偏振方向的激光之间产生相位差，使激光的偏振态发生变化，从而实现对激光的强度调制，其具有技术成熟、对调制信号响应速度快和输出稳定等优点。EOM的强度调制工作原理如图2.2所示，入射激光经偏
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