1光纤激光器以其结构简单紧凑、体积小、工作稳定可靠、无须调试、光束质量好、易于集成等特点，一直被人们认为是固体激光技术实用化的佳选择。光纤激光器的发展与普通激光器的发展几乎是同步的，可以追溯到20世纪60年代。
1961年美国的Snitzer用一根芯径300 m的掺钕（ Nd 3+）玻璃波导观察到了激光现象，从此打开了光纤激光器的历史长河。1964年和1966年， Charlse等分别报道了钕玻璃光纤激光器3.由于当时光纤材料损耗很大，以及相关理论和试验条件的限制，光纤激光器的发展很缓慢。随着光纤技术和半导体激光器的发展，光纤激光器也得到了较快的发展，1973年，台使用半导体泵浦的光纤激光器研制成功。
然而，普通光纤纤芯截面很小，泵浦光较难耦合到单模纤芯内，加之单模光纤对泵浦光模式的严格要求，光纤激光器一度被认为是一种只有mW量级的弱光子源，这也是制约光纤激光器发展及应用的限制因素。1988年，美国Polariod公司Snitzer等人报导了包层泵浦技术，这种双包层光纤具有较大截面和数值孔径的内包层，它可以有效吸收发散角度大的泵浦光，提高整个光纤激光器的光转换效率和输出功率。
2双包层光纤的结构及双包层泵浦技术
1双包层掺杂光纤的结构双包层光纤的结构如1所示6，由纤芯、内包层、外包层和保护层四层组成。纤芯是由掺稀土元素的SiO 2构成，作为激光的传输通道，芯径较小以保证单模激光输出。内包层是由横向尺寸和数值孔径比纤芯大得多的、折射率比纤芯小的SiO2构成，是多模泵浦光的通道。外包层是由折射率比内包层小的材料构成，在内包层和外包层之间形成了一个大截面、大数值孔径的光波导。外层是塑料保护层。
2不同内包层形状的光纤横截面双包层光纤的截面有多种形式，常用的有同心圆形、偏心圆形、正方形、矩形、梅花形、D形等（如2所示）。对于内包层横截面为圆形的双包层光纤，由于其对称性，会使包层中大量的泵浦光成为螺旋光而不能到达纤芯，降低了泵浦效率，而横截面为D型和矩形的双包层光纤的耦合效率较高，因而得到广泛应用。2给出了不同内包层形状的双包层光纤的横截面形状，对应不同的内包层，吸收效果又有所不同，如3所示。
采用包层泵浦技术，在内包层中传播的泵浦光以折线方式反复穿越纤芯并被纤芯掺杂介质吸收（如1） ，将纤芯中稀土元素的原子泵浦到上能级，然后通过跃迁产生自发辐射光，通过在光纤内设置的光纤光栅或光纤外腔镜的选频作用，特定波长的自发辐射光可被振荡放大而后产生激光输出。而产生的激光则沿单模纤芯传播，较小的芯径可保证输出基横模的高质量光束。这样，泵浦光只需耦合进大面积及大数值孔径的内包层中。所以不要求泵浦光是单模激光，这样可选用大功率的多模激光二极管列阵作为泵浦源，通过泵浦双包层光纤结构，可实现从高功率、大面积多模激光二极管泵浦源到衍射极限光纤激光的高效转换，大大增加了光纤激光器的输出功率。
3掺镱光纤激光器的发展
光纤激光器是以泵浦光激励增益介质，在纤芯实现粒子数反转发光。掺镱双包层光纤激光器是国际上新近发展的一种新型高功率激光器件，由于具有光束质量好、效率高、易于散热和实现高功率等特点，受到学术界及商界的极大重视，并在近年来得到快速发展。从20世纪80年代后期开始， Yb 3+掺入石英或氟化物光纤中，作为一种激光介质才开始受到人们的重视。特别是Yb3+掺石英光纤激光器和放大器方面的研究取得了很多进展。1988年， D. C.Hanna等在掺Yb 3+的光纤激光器中得到了从1. 015 m到1. 140 m的调谐激光输出7.1994年， H. M.
Pask等人报道了掺Yb 3+双包层光纤激光器，实验中利用钛宝石激光器发出的波长974nm激光作泵浦源，得到了波长为1040nm的激光输出，斜率效率达到了80.1996年， IPG Photonics公司发布了其10W量级的掺Yb 3+双包层光纤激光器，光束达到衍射极限，达到了工业级的质量要求。在1997年的国际激光电光会议（ CLEO）上，美国Polariod公司M.
Muendel等人报道了一种掺Yb 3+双包层光纤激光器。他们用四根光纤耦合的916nm波长的激光二极管阵列泵浦掺Yb3+双包层光纤，在1100nm波长上获得了35. 5W的连续激光输出。同一会议上，贝尔实验室的D. Innis等报导了包层泵浦Yb3+光纤激光器
，采用915nm波长的LD泵浦，使系统在1065nm波长处输出为16. 4W，在1011nm波长处输出为20. 4W.在1998年的CLEO会议上， Lucent技术公司的S.
Kosiniki和D. Inniss报道了一种内包层截面形状为星形的掺Yb3+双包层光纤激光器12，得到了20W的激光输出。1999年， V. Domonic等人报道了超高功率掺Yb 3+双包层光纤激光器的研究结果，他们用四个45W的半导体激光二极管阵列组成总功率为180W的泵浦源，在1120nm得到110W的激光输出，斜效率为58. 3.2000年， IPG Photonics公司利用其发明的多光纤侧向耦合技术，率先实现百瓦级光纤激光器的全光纤化，为其商业应用奠定了坚实的基础。2001年，在CLEO会议上， A. Liem等报道了1120nm的掺镱光纤放大器14，输出功率25W.M. Auerbach等人报道了掺镱双包层可调谐光纤激光器，调谐范围1040 1088nm，高输出功率1. 6W.2002年德国IPG公司的N. Platonov等人报道了135W单模光纤激光器，光束质量M 2< 1. 05.在同年的CELO会议上， J. Limpert等人报道了150W钕镱共掺双包层光纤激光器，斜效率50.IPG公司报道了千瓦级的掺镱光纤激光器。2003年， C.H. Liu报道了输出波长1092nm，功率700W的光纤激光器，效率为75.同年，英国南安谱敦大学Y.
Jeong等人报道了单根光纤输出功率高达1kW的单模掺镱光纤激光器，采用双端泵浦方法，输出激光波长1. 1 m，斜效率达到80.南开大学报道了峰值功率105kW的调Q脉冲激光器，脉冲持续时间5ns.2004年， A. Liem等人报道了单根光纤输出功率高达1. 3kW的光纤激光器，输出波长1090nm，采用多包层泵浦方法， M 2< 3.同年， Y. Jeong等人报道了采用单端泵浦方法单根光纤输出高达610W的掺镱双包层光纤激光器，输出波长1. 09 m， M 2= 2. 7，斜效率达到82.IPG Laser公司报道了10kW的光纤激光器。近， IPG Laser公司出品了1KW- 20KW的掺镱光纤激光器系统。其具有非常优异的光束特性，有大于50， 000小时的泵浦寿命，中心发射波长为1070nm 1080nm，输出功率可达到20KW.
国内有关双包层光纤激光器的研究始于20世纪90年代末。1998年中国科学院上海光机所高功率激光物理联合实验室等单位报道了输出功率33. 6mW，斜效率68的掺镱光纤激光器；同年上海光机所实现了输出波长1. 053 m，功率104 W的激光运转。2000年，信息产业部电子第四十六研究所与南开大学合作研制出国内根具有大尺寸、大数值孔径内包层的掺Yb3+双包层光纤，实现了在波长1.
06 m处获得220mW的激光输出，光光转换效率为26.南开大学报道了波长为1069nm，功率为228mW的激光输出，斜率效率达60以上。复旦大学，掺镱双包层光纤的输出功率达到90mW，斜效率为28.上海光机所与中国科学技术大学联合报道了，在1037nm获得3. 84mW的激光输出，激光斜效率为55.2001年，南开大学报道了，中心波长为1. 078 m的激光输出，大输出功率为233mW，斜率效率为79. 6 ，光光转换效率为30. 2.2002年，上海光机所报道了一台输出功率为4. 9W的掺Yb 3+双包层光纤激光器。南开大学报道了波长1. 08 m输出功率6. 5W，斜效率86. 5的光纤激光器。2003年，深圳大学报道了波长1. 09 m，输出功率8. 6W的光纤激光器。上海光机所分别报道了功率11. 8W，波长1100nm；功率50. 3W，光光转换效率约为44. 8 ；大激光功率112W，光光转换效率为67 ，斜率效率为72的掺镱双包层光纤激光器。清华大学报道了双端泵浦，输出激光功率137. 7W，总光光效率达54. 3的掺镱双包层光纤激光器。2004年，上海光机所利用单端泵浦方法，实现了200W以上的激光输出，光光转换效率近70.同年报道了，双端抽运获得了444W的连续激光功率输出，转换效率在70以上。这是目前国内连续光纤激光器的高水平。4绘出了近10年国内外掺镱光纤激光器的研究进展情况。
4掺镱双包层光纤能级和光谱特性
掺镱双包层光纤就是在纤芯内以一定浓度掺入镱离子（ Yb3+）作为增益介质。Yb3+离子的能级结构较为简单，参与激光作用的只有基态和激光态两个能级族。在室温下，由于强烈的均匀和非均匀展宽使得石英玻璃中的Yb3+离子在子能级之间的跃迁不能完全清晰地分开，因此它的辐射荧光光谱是比较宽的连续谱（如5所示）。镱离子的吸收谱比较靠近荧光谱，只有少量泵浦能量被浪费掉，所以泵浦效率高。由于它只有一个单一的激发态，所以也不会受激发态吸收的干扰。并且还具有吸收光谱宽、增益带宽、量子效率高、无浓度淬灭等特点。所以上世纪末期以Yb3+离子掺杂光纤作为增益介质的光纤激光器得到了长足的发展。
表示国外发展情况，表示国内发展情况4光纤激光器国内外发展情况比较从5可以看出，2F5/ 2中的d、e，分别对应于975nm和920nm的吸收峰，被泵浦到e能级的粒子经快速无辐射跃迁到上能级d上。相应于由d到a的跃迁，激光波长为975nm，构成三能级系统。对应于d到b和d到c的跃迁，波长大约在1030nm左右，构成了准四能级系统。975nm的峰比较陡，宽度较窄：而1030nm荧光峰的宽度较大，并且一直往长波方向延伸，表明该光纤可以实现可调谐激光输出。根据掺Yb3+光纤的吸收谱可知，掺Yb3+光纤激光器适宜的泵浦波长有两个： 920nm和975nm.其中个泵浦波长位于一个较宽的吸收带内，它的吸收系数较低，适合于采用大线宽的泵浦源，而对泵浦光的波长特性要求不是很严格；第二个泵浦波长975nm吸收峰的中心，它具有较高的吸收系数。但由于这个吸收峰很窄，因此要求泵浦源输出的波长线宽要小于4nm，并且对泵浦波长的稳定性也有较高要求。
5掺镱双包层光纤激光器的泵浦耦合技术
单模光纤的自然限制，使得在单模纤芯内传输的激光具有模式好、光束质量高等优点。但是，单模纤芯的芯径很小，难以将高功率的泵浦光有效地耦合到纤芯内，从而限制了光纤激光器的输出功率。为此，研制出双包层光纤，并采用了包层泵浦技术。然而，如何有效地把几十瓦甚至数百瓦的LD泵浦光功率耦合入直径只有数百微米的双包层光纤内包层，以获得高的泵浦功率，是发展高功率光纤激光器的一项关键技术。
泵浦源与双包层光纤之间有多种的耦合方式，大体上可以分为两大类：端面泵浦、侧面泵浦。
5. 1端面泵浦耦合
端面泵浦是光纤激光器简单也是常用的泵浦耦合方式，它又包括三类情况：直接熔接、透镜组耦合和锥导管耦合。
5. 1. 1直接熔接法
直接熔接法，如图6所示，就是把带尾纤输出的大功率LD的尾纤与双包层光纤的一段直接熔接在一起，在熔接处双包层光纤的纤芯上刻录光纤光栅作为腔镜，另一端抛光，利用光纤的（菲涅耳）自然反射与光纤光栅组成谐振腔。这种端面直接耦合的方式结构简单紧凑，实现了激光器的全光纤化，缺点是尾纤与光纤的直接熔接对准困难，附加损耗较大。
5. 1. 2透镜组直接耦合法
透镜组直接耦合法，如7所示，泵浦光经透镜组耦合系统聚焦后通过二色镜直接入射到双包层光纤的内包层端面。这种方法要求透镜组的数值孔径和聚焦光斑大小要与双包层光纤孔径匹配。
5. 1. 3锥导管耦合
锥导管耦合如图8所示，是通过锥导管把泵浦光导入双包层光纤，泵浦光的尺寸通常都较光纤纤芯大几个数量级，利用锥管双端结构尺寸的不同，小的一端与光纤熔接到一起，其尺寸与光纤内包层相同。较大的一端尺寸与泵浦LD尾纤尺寸相同，并把泵浦光通过较大尺寸一端输入，由导管自身的特性汇聚光束，从小尺寸一端导入光纤，常见的锥导管是圆锥状结构，但是锥导管的制作工艺比较复杂。
5. 2侧面泵浦耦合
对于双包层光纤侧面泵浦是使泵浦光从双包层光纤的侧面耦合进入其内包层，可以分为熔锥侧面泵浦耦合、微棱镜侧面耦合、V形槽侧向耦合、嵌入反射镜式泵浦耦合、角度磨抛侧面泵浦耦合和光栅侧面耦合方式等。
5. 2. 1熔锥侧面泵浦耦合
熔锥侧面泵浦耦合（如9）是将多根裸光纤和去掉外包层的双包层光纤缠绕在一起，在高温火焰中加热使之熔化，同时在光纤两端拉伸光纤，使光纤熔融区成为锥形过渡段，能够将泵浦光由多模光纤和双包层光纤侧面导入内包层，从而实现定向侧面泵浦耦合。
5. 2. 2微棱镜侧面耦合
微棱镜侧面耦合如图10所示，泵浦光通过紧贴光纤侧面的微小棱镜进入光纤内包层，微棱镜宽度不能大于内包层的直径，因此给微棱镜的加工带来了技术上的困难。实验得到光纤激光输出也仅仅只是毫瓦量级。对大功率光纤激光器不适用。
5. 2. 3 V槽侧面耦合
11是V槽侧面耦合泵浦结构示意图。该技术先将双包层光纤外包层除一小段，然后在裸露的内包层刻蚀出一个V槽，槽的一个斜面用作反射面，也可将两个面都用于反射。
泵浦光由半导体激光器经微透镜耦合，使泵浦光在V槽的侧面汇聚，经过侧面反射后改变方向进入双包层光纤内包层。
为了提高耦合效率， V槽侧面的面型要求能够对泵浦光全反，此外还需在泵浦光入射的内包层一侧增加一层衬底，衬底材料的折射率应该与光纤内包层折射率相近，并且可以加镀增透膜。此种泵浦耦合方式原理简单，但是由于利用了微透镜准直， LD泵浦源、微透镜以及双包层光纤的相对位置对于耦合效率的影响较大。同时，由于V槽嵌入内包层，因此对于内包层内传输的泵浦光有较大损耗，不利于多点注入式泵浦功率的扩展。
5. 2. 4嵌入透镜式泵浦耦合
嵌入透镜式泵浦耦合方式是在V槽刻蚀方式上的改进，其原理示意图如图12所示。首先将双包层光纤的外包层去除一小部分，然后在内包层上刻蚀出一个小槽，槽的深度足够放入用来反射泵浦光的嵌入微反射镜，但是距纤芯还有一定距离，以保证不破坏纤芯。嵌入的微反射镜的反射面可以是平面或是根据优化设计的曲面，为了得到高的耦合效率，其反射面镀上了高反率的膜层，入射面镀了对泵浦光的增透膜。该技术中采用了光学胶用以将嵌入微反镜的出射面和光纤内包层粘接固定，同时光学胶还作为折射率匹配介质用来降低界面的反射损耗。由图可以看出， LD泵浦源应当与嵌入微反镜足够近，以保证具有较大发散角的泵浦光能够全部照射到微反镜的反射面上。嵌入反射镜式泵浦耦合技术对于内包层内泵浦光的传输也有较大损耗，同样不利于多点耦合注入泵浦功率的扩展。
5. 2. 5角度磨抛侧面泵浦耦合
角度磨抛侧面泵浦耦合，图13为光纤角度磨抛侧面泵浦耦合结构示意图。其基本原理是在双包层光纤去一小段，剥去涂敷层和外包层，将内包层沿纵向进行磨抛，得到小段用以耦合泵浦光的平面。然后将端面按一定角度磨抛好的泵浦光纤的纤芯相对该平面紧密贴和并固定好两纤的相对位置。泵浦光即可由泵浦光纤侧面耦合进入双包层光纤的内包层。由于泵浦光纤按一定角度磨抛好的端面并不能完全和双包层光纤内包层紧贴，因此还需要利用光学胶将其空隙填充。由于采用了光学胶，因此不必对内包层纵向进行磨抛而得到平面，直接利用光学胶也可将泵浦光由内包层的弯曲侧面导入。
5. 2. 6光栅侧面耦合方式
这种耦合方式如14所示，剥去涂敷层和外包层把反射光栅紧靠双包层光纤的内包层，中间用匹配材料充填，不需要修磨光纤表面和纤芯。利用聚光透镜把泵浦源LD发出的光聚合到反射光栅，然后导入双包层光纤的包层内。
6掺镱双包层光纤激光器的发展前景
目前，光纤激光器的发展非常迅速，可实现宽波段的激光调谐输出，大功率已达到万瓦量级，应用领域也越来越广泛。未来光纤激光器的发展，一方面要进一步提高输出功率和转换效率，优化光束质量，缩短增益光纤长度，提高系统稳定性等。现今，采用的多纤芯双包层光纤激光器，在较大的内包层中有多个掺杂纤芯，每个纤芯的直径、掺杂浓度等均相同，且均为单模，纤芯之间的距离较近。由于纤芯间的距离很近，振荡激光瞬逝波的耦合，使得各纤芯受激发射的激光相互作用，达到同相位激光输出。采用这种技术，就可以在保持高光束质量的同时，达到高能的激光输出。
可使光纤激光器的输出功率达到万瓦级。还有一种光纤激光相干组束技术，就是将很多个相同的光纤互相靠近，排成致密的列阵，在其输出端共用一个腔片作为激光输出镜。由于各个光纤激光衍射的耦合作用，获得高能相干激光输出。
另一方面，发展调Q锁模脉冲光纤激光器技术，提高激光重复频率和脉冲峰值功率。包层泵浦技术与调Q技术相结合可以得到高脉冲能量、高峰值功率的短脉冲光纤激光器。已经报道包层泵浦调Q光纤激光器的脉冲能量已达mJ量级，峰值功率高达100kW量级。大幅度拓宽光纤激光器的输出波长范围也是今后光纤激光器的一个发展方向。光纤激光器通过掺杂不同的稀土离子可实现较宽波段范围的激光输出，通过光纤光栅谐振腔的调节可实现波长选择且可调谐。可以预见，在某些应用领域，这些大功率激光器和脉冲调Q锁模激光器并有可能成为替代固体激光器和半导体激光器的新一代光源，形成一个新兴的产业。
7结语
光纤激光器以耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值，光束质量好和窄线宽，以及易制成高功率、小体积等优点，越来越受到国内外各界的酷爱。在光通讯、光传感、精密机械加工、航天航空、生物医学和材料加工等方面都有广泛的应用前景。本文是在阅读了全部参考资料的基础上综合精缩而成的，所含涉及信息量大，所用数据准确，对掺镱双包层光纤激光器的进一步研究有重要的参考价值。
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