摘 要 双包层掺镱光纤技术使高功率光纤激光器和放大器成为可能。最近几年随着制造技术和器件应用技术的发展双包层掺镱光纤也有了飞速发展，但是激光器的输出功率却受到受激拉曼散射和布里渊散射等非线性效应的限制，可以通过降低纤芯数值孔径、大模面积等方式来克服这种限制。分析和讨论了双包层掺镱光纤的激光放大原理、大模面积双包层掺镱光纤、多芯双包层掺镱光纤和微结构双包层掺镱光纤，介绍了掺镱光纤的研究现状和发展趋势。
关键词 双包层掺镱光纤；高功率光纤激光器；大模面积；多芯双包层掺镱光纤；微结构双包层掺镱光纤
1 引言
光纤激光器是近几年激光领域关注的热点之一，将常规激光器的调 Q、锁模等技术引入到光纤激光器中，不仅拓宽了光纤激光器的研究领域，而且推动了激光技术的发展。在同样的输出功率下，光纤激光器的光束质量、光传递特性、可靠性和体积大小等都占有优势。光纤激光器最初在上世纪 60 年代提出，但一直进展缓慢，直至低损耗光纤制造技术和半导体激光器有了一定的发展与应用，才为光纤激光器带来了新的前景。
光纤激光器以掺杂光纤作为激光介质，与块状激光介质相比，具有以下显著的优点：介质细长易于散热；在 LD 抽运固体激光器中，热量集中于一个小体积内，而散热表面又比较小。采用光纤作激光介质，其表面积比相同体积的块状介质要大 1000 倍左右，从而大大缓解了散热问题；激光横模由光纤纤芯直径和数值孔径决定，不会因介质的热形变而发生变化，因而易于达到单横模，一般光束质量因子 M2《1.3，有的已可达到 1.05；由比纤芯截面积大至少一个量级的内包层实行光抽运，抽运光进入内包层即可，而不是直接抽运到单模的纤芯，因此抽运效率和功率都比较高[1]。
自 1988 年 Snitzer 等[2]提出双包层光纤之后，基于这种包层抽运技术的光纤激光器和放大器获得了快速发展。特别是近年来，随着高功率半导体激光抽运技术和双包层光纤制作工艺的发展，光纤激光器的输出功率已经从最初的几百毫瓦上升到了千瓦水平。1999 年V.Dominic 等[3]用 4 个 45W 的半导体激光 器 从 两端抽运， 获 得了 110W 的单模连续激光输出。近几年，高功率双包层光纤激光器的发展十分迅速，单纤输出功率（连续）已达到 2100W。
随着双包层掺镱光纤的研究成熟，高功率光纤激光器的研究飞速发展。高功率掺镱光纤激光器在材料加工领域有着广阔的应用前景，将它作为拉曼放大器的高功率抽运源，也是目前世界上比较热门的话题。近年来兴起的高浓度掺杂双包层掺镱光纤激光器在国内外掀起光纤激光器的研究高潮，结合光纤激光器的结构简单、体积小、散热性好、寿命长、激光输出品质高等优势，易于制造出性能优越的高功率激光武器等优点，目前已经引起国内外各大厂商的极大兴趣。
图 1 是英国 SPI 公司对光纤激光器市场发展的统计和预测， 2004 年光纤激光器占整个激光器市场的 5豫，到 2007 年光纤激光器将占整个激光器市场的 19%。
2004 年全球光纤激光光电子产值为 54 亿美元，据此计算光纤激光器产值为 3 亿美元左右，其中还不包括相关产业链的产值。而随着高功率双包层光纤激光器的抽运耦合和相干组束等相关技术的成熟，在材料加工领域这种激光器正在大规模地取代传统的气体激光器和固体激光器，市场十分巨大。
2 双包层掺镱光纤的激光放大机理
掺镱单模石英光纤具有宽的增益带宽、长的上能级荧光寿命、高的量子效率和无浓度猝灭、无激发态吸收等特点，激光输出波长在 1.01~1.162mm 范围内可调谐，可用于高功率激光系统和抽运 1.3mm 掺镨光纤放大器、掺铥上转换光纤激光器等。掺镱光纤放大器可以实现功率放大和小信号放大，因而可用于光纤传感器、自由空间激光通信和超短脉冲放大等领域。
Yb3+电子构型为 4 f 13，有 2 个电子态，即基态和激发态( 2云7/2、2云5/2)。在配位场作用下，基态和激发态产生斯塔克分裂，形成准 4 能级的激光运行机制如图 2。普遍认为，作为能级结构最简单的激活离子，Yb3+ 不存在上转换、激发态吸收和浓度淬灭，极大降低了材料的热负荷，具有很高的能量转换效率，可获得很好的激光输出光束；具有较长的荧光寿命，能有效储存能量。
与其它稀土离子相比，Yb3+离子的光谱结构更为简单，仅由基态 2F7/2 和激发态 2F5/2 两个能级族组成。当利用波长为 976nm 的激光抽运时，Yb3+离子将从基态能级 2F7/2 中的子能级 a 抽运到激发态能级 2F5/2 中的子能级 e，对应抽运波长为 976nm。然后，Yb3+离子快速无辐射跃迁驰豫到激发态的子能级 d，在准 4 能级跃迁的情况下，Yb3+离子将从激发态的子能级 d 到基态的子能级 c 形成自发辐射跃迁，跃迁对应的中心波长为 1081nm。
包层抽运的关键技术是双包层光纤的设计和制造，图 3 为双包层光纤的结构示意图。它由四部分构成：(1)纤芯，(2)内包层，(3)外包层，(4)保护层。纤芯由掺镱的二氧化硅构成，在光纤激光器中作为激光介质，也作为单模激光的波导；内包层由纯二氧化硅构成，其尺寸和数值孔径比芯大得多；外包层由软聚合物构成；保护层由硬聚合物构成。由于抽运光在内包层中多模传输，而内包层有较大的横向尺寸和数值孔径，因而可以选择大功率的多模激光二极管阵列作抽运源，这样就大大提高了耦合效率和入纤抽运功率。同时，光纤中的抽运光功率较大，可以提高光纤激光器的输出功率。另外，抽运光的吸收效率与内包层的形状有关。内包层中的光受外包层限制，在内包层之间来回反射，不断穿过纤芯并被吸收，所以抽运光在光纤的一端耦合进入光纤，在光纤的整个长度上被抽运，大大提高了抽运功率。双包层光纤提高了抽运功率，却降低了抽运效率，这是因为抽运光入射位置和角度不同，进入光纤后光线分为子午光线和偏射光线。偏射光线与纤芯不相交，这种光线的吸收率很低，因此影响了抽运效率。因此一般通过打破抽运光波导的中心对称结构，使螺旋线能够多次穿越纤芯，从而使抽运光纤不断被纤芯中的稀土离子吸收，更好地提高抽运转化效率。
通常纤芯中掺入 Al3+改善光纤的激光特性提高纤芯的折射率，Al3+ 和 Si4+可以互相替代，当存在少量 Al2O3 时，都以[AlO4]四面体存在与 [SiO4]形成玻璃骨架，[SiO4]和[AlO4] 配位体形状相似。但由于[AlO4]有多余的负电价，按结晶化学电中性原则，必须吸引正离子来保持平衡，因此会在一定程度上增加网络致密性，同时 [AlO4] 对正离子相对于 [SiO4]有更大的需求，因此增加了稀土离子在玻璃中的溶解度。同时通过掺入 Al3+可增大斯塔克分裂值使 Yb3+离子的吸收和荧光光谱展宽，从而增加抽运波长的带宽和增大输出激光的可调谐范围。图 4 和图 5 分别是 Yb3+离子在 SiO2-GeO2 玻璃和 SiO2-Al2O3 玻璃中的吸收光谱，从两个光谱中可以看到，在纤芯中掺入 Al3+离子后，其吸收峰明显展宽，而且在 915nm 左右其吸收峰增大了很多，这就降低了对 915nm 波长左右半导体抽运源的要求，可以降低激光器的成本，增加抽运效率。
图 6 和图 7 分别为纤芯掺铝的双包层掺镱光纤的荧光谱和荧光寿命，从图中可以看出，荧光谱线中存在两个辐射峰，980nm 的峰比较陡，半峰全宽 (FWHM) 只有 5nm，在 980nm 对抽运光的吸收也很强；而 1025nm 的峰较为平缓，半峰全宽大约 50nm。这种光纤的荧光寿命值为 840ms，这和一些文献报道的掺镱硅酸盐玻璃的寿命在量级上相当。
理论和实验结果均表明，双包层光纤的抽运吸收不仅与掺稀土浓度和纤芯尺寸 (纤芯和内包层面积的比)有关。还与内包层的形状有关，因而，从双包层光纤提出到现在，已经有大量的文章从理论和实验上进行光纤内包层形状的优化设计，以便提高对抽运光的吸收效率，达到在同样掺杂浓度和内包层尺寸的情况下，使用较短的光纤就可以获得较高功率输出的目的。最早提出和实现的是圆形内包层的双包层光纤，掺杂纤芯处于圆形内包层的中心，在这种情况下，由于其完美的对称性，存在大量的螺旋光线，这些光线在内包层中多次反射却永远不能到达纤芯区域，从而不可能被纤芯吸收，这样即使采用较长的光纤仍然会有大量的漏光存在，使得转换效率难以提高。解决这一问题的途径之一是保持内包层的圆形形状，将掺杂纤芯偏离圆形的中心(称为偏心形)，这样就可以使更多的抽运光可以进入纤芯区域，提高抽运吸收功率，但仍然有大量的螺旋光存在。第二种方法是保持纤芯在内包层的中心，但改变内包层的形状。目前人们已经提出并拉制出 D 形、长方形(包括正方形)、梅花瓣形等内包层形状的双包层光纤。在这些双包层光纤中，抽运光线中的螺旋光线减少，从而相对于圆形内包层形状的光纤来说，抽运吸收效率大大提高。但 D 形、长方形和正方形也存在几种局域模式，光线在包层中稳定反射而不能进入纤芯，因此设计内包层形状新颖、工艺上能接受的双包层光纤，尽可能地除去光线的一切局域稳定模式，是一个非常有意义的工作。这样可以使得效率更高，纤芯掺杂浓度同样的情况下所需的光纤更短。图 8 为典型的内包层形状。
3 大模面积双包层掺镱光纤
双包层光纤的结构对其激光特性的影响是多方面的，如：纤芯掺杂离子种类决定了输出激光的波长，纤芯的几何尺寸决定了输出激光的功率大小，纤芯的数值孔径决定了输出激光的光束质量，内包层的几何尺寸和数值孔径决定了可注入抽运功率的大小等。光纤纤芯的组成成分和比例影响着稀土离子的掺杂浓度和掺杂均匀性，此外还影响着输出激光功率，其主要表现在：1) 光纤端面的光损伤；2) 光纤中的非线性效应限制了功率的提高。纯石英的激光损伤阈值非常高，在脉冲激光下的损伤阈值约为 10GW/cm2，即 100W/mm2，以此同时，由于双包层光纤激光器纤芯中的激光功率密度非常高，且光纤较长，非线性效应出现的可能性就很大。光纤中主要的非线性效应包括：受激布里渊散射、受激拉曼散射和自相位调制 (对脉冲激光来说)。
尽管增大纤芯直径可以增加光纤输出激光功率，降低光纤的激光损伤阈值，但是单一地增大纤芯尺寸会引起光纤归一化截止频率减小，降低输出激光的光束质量，所以为了实现单横模激光输出，并尽可能克服端面激光损伤和非线性效应这两个因素给功率提高带来的限制，在设计和选用光纤时，应尽量减少内包层和纤芯的折射最小耀0.06，所对应的单模芯径小于 30mm 。而对于更大的纤芯来说将是多模输出。同时由于相对高的掺镱浓度会导致纤芯折射率的提高，因此进一步降低纤芯数值孔径只能在纤芯中掺入氟等降低折射率的材料，但这种降低有限而且会降低光纤的激光损伤阈值。
另外，大芯径双包层掺镱光纤存在宏弯损耗偏大的问题，图 9 为 60mm 纤芯双包层光纤的宏弯损耗理论计算曲线，其中(a)为宏弯损耗与弯曲半径之间的关系曲线；(b)为弯曲半径为 100mm 时宏弯损耗与波长的关系曲线。从图中可以看出当纤芯直径较大时，光纤的宏弯损耗不容忽视，而且可以通过避免光计算，典型单模纤芯似乎可以实现高达千瓦量级激光功率输出。实际上，10GW/cm2 是脉冲激光的峰值功率密度，对于连续激光来说，石英的激光阈值会小于此值。特别是对于掺杂石英光纤来说，由于掺杂引起的纯度和均匀性的降低，大大降低了光纤端面的激光损伤阈值。率差，同时相应增大纤芯直径。这就需要在结构设计时充分考虑，同时还要对其它结构参数进行研究，如，内包层直径、内包层数值孔径、涂层特性和同心度等，提高和优化双包层光纤的各项光学特性、机械特性和环境特性。
由于材料限制，纤芯数值孔径纤的小弯曲来避免过大的宏弯损耗。
总之大模场面积双包层掺镱光纤可以提高光纤的激光输出功率和抽运效率，但同时也会造成激光光束质量变差、光纤弯曲损耗变大等问题。
4 多芯双包层掺镱光纤
相对于单纤芯双包层掺镱光纤的缺点(如在保证单模输出的情况下纤芯直径有限，限制了输出功率)多芯双包层掺镱光纤就具有明显的优点。尤其是对脉冲光纤激光器来说，光纤激光器的主振功放 (MOPA)结构可以获得窄线宽激光输出，但功率超过 2W 就会出现明显的受激布里渊散射等非线性效应，从而限制了向更高功率发展。多芯光纤激光器是解决这个问题比较好的方案之一。 对多芯双包层掺镱光纤的研究开展较多[5~9]，在多芯双包层掺镱光纤中每个纤芯的掺杂浓度、直径等参数都相同且规则排列，每个纤芯之间间距很小。由于振荡激光瞬时波的耦合使得各纤芯产生的激光相互作用，达到同相位输出。如图 10 为 19 芯双包层掺镱光纤的结构图。而每个纤芯中只传输单横模，其归一化频率小于 2.4。根据模式耦合理论，多芯将有 N 个超级模式，N 为纤芯数目。由于所有的纤芯有相同的相位，因此光纤可以得到最好的光束质量 (M2 值接近于 1)。
图 11 为这种 19 芯双包层掺镱光纤的三维近场和远场能量分布图，从图中可以清晰地看出经过多个纤芯间激光的相互作用，产生的激光能量主要集中在中心部分。
对多芯双包层掺镱光纤的研究还在积极展开，在光纤的研制上，由于对多个纤芯的一致性要求较高，而且纤芯直径要非常接近，因此在工艺实现上有一定难度。
5 微结构双包层掺镱光纤
光子晶体光纤具有规则排列着空气孔的二氧化硅阵列构成的包层，光纤的核心是由一个破坏了包层结构周期性的缺陷构成。这个缺陷可以是固体二氧化硅，也可以是空气孔。光子晶体光纤有效地扩展了光纤的应用领域。首先，光子晶体光纤具有极低的损耗、色散和非线性，克服了传统单模光纤的本征吸收和瑞利散射，避免了模式色散和材料色散，大大降低了非线性；其次光子晶体光纤的截止波长很短，可在近紫外到近红外全波段维持单模运转，使单模工作波段向短波方向扩展了 600耀700nm。光子晶体光纤的可控周期性折射率变化使它在无源和有源器件中有着就是利用光子晶体光纤的特性在光纤内包层内沿轴向排列了有序或无序的空气孔。通过引入这些空气孔可以有效提高光纤的激光输出光束质量，还可以有效解决常规双包层掺镱光纤中的热问题。现分析如下：
图 12 为微结构双包层掺镱光纤和常规双包层光纤内包层和纤芯的结构简图。右图为常规光纤结构，对于常规光纤而言单模运行的条件是归一
化频率
其中，a 为纤芯半径，nco 和 ncl 分别为纤芯和包层的折射率。对于一定纤芯的光纤，要提高其光束质量就必须要降低其纤芯折射率从而降低纤芯数值孔径，但是由于材料和波导结构的限制，常规双包层掺镱光纤很难实现纤芯的低数值孔径 (一般来说极限为 0.06)，而实现低数值孔径与掺杂浓度、效率等也很广泛的应用前景，特别是其模场面积的可大可小可开发出新的光纤激光器和光纤放大器。
微结构光纤双包层掺镱光纤难兼顾。
而对微结构双包层掺镱光纤来说，由于内包层中引入了周期排列的小孔其单模运行条件为归一化频率
其中 为相邻气孔间距，nco (l)和 ncl(l)分别为纤芯和包层的有效折射率，周期性排列的小孔可以有效降低纤芯数值孔径 (可以降低到 0.03)。图 13 为微结构双包层掺镱光纤的 /l 和归一化频率的关系曲线。
微结构双包层掺镱光纤与常规双包层掺镱光纤的另一个主要区别是微结构双包层掺镱光纤以比内包层中的空气孔更大的气孔来实现内包层的高数值孔径而不采用低折射率涂料。增大内包层尺寸的数值孔径有利于简化抽运光的耦合和传输更大的抽运光功率，通过增大数值孔径，内包层的可传输功率将以平方增加。常规的双包层掺镱光纤采用低折射率的聚合物作为外包层，使内包层具有较大的数值孔径。一般内包层的折射率为 0.38，采用更低折射率的聚合物涂料则可以达到 0.46 甚至 0.60，但是用低折射率的聚合物涂料的缺点是，一方面由于应用于光纤激光器时需要对双包层光纤进行端面处理，低折射率涂料容易在端面处理时损伤，引起对抽运光的较大吸收而造成端面的烧毁；另一方面，低折射率涂料的作用是将抽运光束缚在内包层中，在传输过程中抽运光在外包层即低折射率涂料的表面上不断反射，尽管这种聚合物对抽运光的吸收较小，但在高功率激光器中这也是一个不可忽视的问题；第三，尽管采用低折射率涂料可以使内包层具有较高的数值孔径，但由于这种聚合物本身的性质，其折射率的降低也很有限；此外，低折射率聚合物涂料的价格非常昂贵。而微结构双包层掺镱光纤由于采用空气孔作为外包层因此在很大程度上可以解决以上问题，在理论上可以实现内包层数值孔径在 1 以上，目前微结构双包层掺镱光纤的单纤输出功率为 1530W 高于常规双包层掺镱光纤的最高单纤输出功率，而且没有热问题。
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6 结束语
近年来，随着高功率双包层光纤激光器的迅速发展，对双包层掺镱光纤的理论、制造技术的发展方向的研究也积极展开。通过调整双包层掺镱光纤的纤芯玻璃组成成分、优化结构可以有效改善光纤的激光输出特性。双包层掺镱光纤随着更高输出功率的要求在向大模面积、多芯和微结构方向发展。