定義：輸出功率（>10W）很高的
光纖激光器和光纖放大器。
[ 6_"^jgH 第一臺(tái)光纖
激光器的輸出功率只有幾個(gè)毫瓦，近來光纖激光器發(fā)展很快，得到高功率光纖放大器，尤其是放大器的輸出功率可以達(dá)到幾十上百瓦，甚至在某些單模光纖中得到上千瓦。這是由于光纖很大的表面積體積比（避免多余的熱）和導(dǎo)波（波導(dǎo)）性質(zhì)，避免了在很高溫度下的熱光效應(yīng)問題。
qh$X ^%g 光纖激光器技術(shù)與其它的高功率固態(tài)體激光器、薄盤激光器等相比具有很大的競(jìng)爭(zhēng)力。
)L b72;!? .?f :Nb.O 雙包層光纖和光束質(zhì)量
d ]MGN^%o }?J~P%HpF r] 0(qg 圖1：具有氣體包層的雙包層光纖結(jié)構(gòu)圖。
pr UH jS 通常高功率光纖激光器和放大器都是采用稀土摻雜雙包層光纖，又通過光纖耦合的高功率二極管棒或者其它激光二極管泵浦。泵浦管并不是進(jìn)入光纖纖芯，而是進(jìn)入內(nèi)包層，也是在內(nèi)包層產(chǎn)生激光。產(chǎn)生的激光光束質(zhì)量很好，甚至可以得到衍射極限的光束質(zhì)量，需要采用單模的光纖。因此，光纖激光器輸出光的亮度比泵浦光的亮度高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，盡管輸出功率比泵浦光小。（通常泵浦效率大于50%，有時(shí)甚至大于80%）因此這種光纖激光器可以用來作為亮度轉(zhuǎn)換器，也就是提高光亮度的裝置。
i-,'.w 對(duì)于特別高的功率，纖芯面積需要足夠大（參閱大模式面積光纖），因?yàn)檫@時(shí)光強(qiáng)會(huì)很高，還有一個(gè)原因就是雙包層光纖中包層與纖芯面積比值很大從而導(dǎo)致泵浦吸收很小。當(dāng)纖芯面積達(dá)到幾千平方微米的量級(jí)，采用單模纖芯是可行的。采用多模光纖，模式面積比較大時(shí)也可以得到質(zhì)量相當(dāng)好的輸出光束，這時(shí)光波主要是基模。（通過將光纖繞成圈也可以在一定程度上一直高階模式的激發(fā)，高功率時(shí)的強(qiáng)模式耦合情況除外[14]）模式面積變得更大后，光束質(zhì)量不再能保持衍射極限，但相比于例如工作于相似功率強(qiáng)度下的棒激光器，得到的光束質(zhì)量仍是相當(dāng)好了。
C,.-Q"juH ms7SoY bSu ?s%v 3T 注入泵浦光
)i0 $j)R ?NlSeh 關(guān)于怎樣注入非常高功率的泵浦光有幾種方式可以選擇。最簡(jiǎn)單的方式就是直接在光纖端口泵浦包層。這種方法無需特別的光纖部件，但是高功率泵浦光需要在空氣尤其是空氣玻璃界面?zhèn)鞑�，�?duì)灰塵或者不對(duì)準(zhǔn)非常敏感。許多情況下，會(huì)優(yōu)先選擇使用光纖耦合的泵浦二極管，這樣泵浦光一直在光纖中傳輸。還有一種選擇是將泵浦光輸入到無源光纖中（未摻雜），將無源光纖纏繞在摻雜光纖周圍，這樣泵浦光被逐漸轉(zhuǎn)移至摻雜光纖中。有一些方法是采用專門的泵浦結(jié)合裝置，將一些泵浦光纖和摻雜信號(hào)光纖融合在一起。還有其它的方法基于邊泵浦的光纖線圈（光纖盤激光器）[3]，或者在泵浦包層刻槽這樣泵浦光可以注入進(jìn)去。后種技術(shù)允許泵浦光多點(diǎn)注入，因此可以更好的分配熱負(fù)荷。
圖2：高功率雙包層光纖放大器裝置圖，泵浦光通過自由空間進(jìn)入光纖端口。氣體玻璃界面必須嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)和潔凈。
Y[ ?`\c| 所有的注入泵浦光的方法之間的比較狠復(fù)雜，因?yàn)樯婕暗胶芏喾矫妫恨D(zhuǎn)移效率，亮度損耗，易加工，靈活操作，可能的背向反射，從纖芯泄漏至泵浦
光源的光，保持偏振的選擇等。
v`SY6;<2 -Un=T X 激光器和放大器
AeaPK 9
Va40X1 理論上產(chǎn)生高功率激光最簡(jiǎn)單的方法是采用幾個(gè)鏡子直接構(gòu)建一個(gè)腔激光器。然而，通常高功率光纖裝置會(huì)與激光放大器結(jié)合起來，也就是采用MOFA結(jié)構(gòu)（主振蕩光纖激光器）。這種結(jié)構(gòu)具有一些優(yōu)點(diǎn)。低功率的種子激光在線寬、激光噪聲、
波長(zhǎng)調(diào)諧、脈沖產(chǎn)生等方面的性質(zhì)比較容易控制，激光器腔內(nèi)功率則更高一些（盡管作為高增益裝置，光纖激光器允許很強(qiáng)的輸出耦合）。另外，采用調(diào)制器方案更好，這樣可以把各級(jí)的放大器連起來。在有些情況，尤其是采用種子激光器的情況，通常采用多級(jí)放大器，這時(shí)在放大器鏈上模式面積和泵浦功率都逐漸增大。
?I\v0H* ~5ubh 2{ 納秒脈沖
dgslUg9z3g 2A>C+Y[7 \ 通常用于材料加工的高功率激光器為調(diào)Q激光器，產(chǎn)生很強(qiáng)的納秒脈沖。在這個(gè)領(lǐng)域，光纖裝置主要在峰值功率上受限制：需要遠(yuǎn)離各種非線性效應(yīng)，自聚集效應(yīng)將峰值功率限制在幾個(gè)兆瓦，即使通過增大模式面積也不能再增大。實(shí)際得到的峰值功率都小于1兆瓦，即使對(duì)于大模式功率的光纖也不例外。也就是說，如果脈沖長(zhǎng)度為1ns，脈沖能量則小于幾個(gè)毫焦耳。
/~*Cp9F"] 光纖裝置的高增益也使靈活的MOPA裝置易于實(shí)現(xiàn)，它采用增益開關(guān)激光二極管作為種子激光。這種方案不同于調(diào)Q激光器，它可以調(diào)整脈沖長(zhǎng)度而不會(huì)改變脈沖重復(fù)率。
S*g`d;8gV xZyeX34{M; 超短脈沖
UW/N MjK T /5"}P` 光纖放大器大的增益帶寬可以用來放大超短脈沖。然而，這時(shí)強(qiáng)的光纖非線性效應(yīng)影響很大，因?yàn)槟芰亢芨叩娘w秒脈沖具有非常大的峰值功率。除了存在對(duì)光纖損傷的危險(xiǎn)之外，強(qiáng)非線性效應(yīng)引起強(qiáng)的脈沖畸變，另外很高的色散（包含高階色散）也是一個(gè)問題。尤其需要考慮脈沖質(zhì)量時(shí)，這些因素都需要認(rèn)真考慮。
)tD6=Iz^5 一種可能的方案是采用啁啾脈沖放大
系統(tǒng)，放大器中脈沖長(zhǎng)度被顯著提高，因此非線性效應(yīng)相應(yīng)的被減小。另一個(gè)可供選擇的方案是放大拋物線脈沖，上啁啾脈沖得到增益，放大器中光纖的非線性趨于自相似的方式，因此可能得到色散壓縮的高質(zhì)量脈沖。
~0ooRUWU7 盡管上面提到的方案可以提高高功率超短脈沖的質(zhì)量（至少對(duì)于幾個(gè)兆赫茲的脈沖重復(fù)率和中等脈沖能量情況），這些結(jié)果通常是基于一些自由空間
光學(xué)的裝置，因此會(huì)失去一些光纖系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。一個(gè)很有意思的方向是發(fā)展全光纖的超短脈沖源，可以實(shí)現(xiàn)自由空間脈沖壓縮（例如透射
光柵），但是這樣不需要將脈沖從自由空間注入到光纖中。
Ft)
lp>3gv tO M(U-7Z& 未來發(fā)展前景
e />:K' { YDF CGA 盡管近來高功率光纖裝置的發(fā)展已經(jīng)非常迅速，仍然存在一些局限性阻礙了進(jìn)一步的發(fā)展：
]^ #`j - 高功率光纖裝置的光強(qiáng)提高了很多�，F(xiàn)在通�？梢赃_(dá)到材料損傷閾值。因此，需要提高模式面積（大模式面積光纖），但是采用這種方法在需要得到高光束質(zhì)量的情況時(shí)也存在局限性。
- 單位長(zhǎng)度的功率損耗已經(jīng)達(dá)到100W/m量級(jí)，導(dǎo)致光纖中很強(qiáng)的熱效應(yīng)。采用水冷卻的方法可以很大程度的提高功率。摻雜濃度低的更長(zhǎng)的光纖冷卻更容易，但是這會(huì)提高非線性效應(yīng)。
- 對(duì)于不是嚴(yán)格的單模光纖，當(dāng)輸出功率大于某個(gè)閾值時(shí)，存在模式不穩(wěn)定性，通常為幾百瓦特。模式不穩(wěn)定性導(dǎo)致光束質(zhì)量的突然降低，這是光纖中的熱光柵（空間溫度振蕩很快）的作用。
- 光纖非線性影響很多方面。即使在連續(xù)波裝置中，拉曼增益非常高（即使分貝），以至于很大一部分功率被轉(zhuǎn)移到波長(zhǎng)較長(zhǎng)的斯托克斯波上，這一波并不能被放大。單頻工作則極大的受限于受激布里淵散射，當(dāng)然也有一些測(cè)量方式在一定程度上可以抵消這一效應(yīng)。在鎖模激光器中的產(chǎn)生的超短脈沖，自相位調(diào)制會(huì)對(duì)其產(chǎn)生很強(qiáng)的光譜展寬效應(yīng)。另外，還存在其它注入非線性偏振旋轉(zhuǎn)的問題。
由于存在以上的諸多限制，高功率的光纖裝置通常不能被嚴(yán)格的看做可擴(kuò)展功率的裝置，至少在能達(dá)到的功率范圍之外不能。（之前的改進(jìn)方法并沒有采用單功率定標(biāo)來實(shí)現(xiàn)，而是采用改進(jìn)的光纖設(shè)計(jì)和泵浦二極管。）這在光纖激光器技術(shù)與薄盤激光器對(duì)比時(shí)有很重要的后果。在詞條激光功率定標(biāo)中有更詳細(xì)的描述。
ec? V[v
即使不能真正的進(jìn)行功率擴(kuò)展，在改進(jìn)高功率激光裝置方面還有很多工作可以做。一方面是需要提高光纖設(shè)計(jì)，例如采用大的光纖模式面積和單模導(dǎo)引，通常采用
光子晶體光纖來實(shí)現(xiàn)。很多光纖器件非常重要，例如特殊的泵浦耦合器，光纖錐來連接具有不同模式大小的光纖和特殊的光纖冷卻裝置。一旦達(dá)到某個(gè)光纖的功率極限，合成光束是另一個(gè)選擇，存在合適的光纖裝置來實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)。對(duì)于超短脈沖放大器系統(tǒng)，存在許多方法減小或者甚至部分利用光纖的非線性效應(yīng)，例如展寬光譜和其后的脈沖壓縮。
T(V8; ! 參考文獻(xiàn)
rrcwtLNb u ~:EW>Fq%i [1] A. Galvanauskas, “Mode-scalable fiber-based chirped pulse amplification systems”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 7 (4), 504 (2001)
z, x" a [2] J. Limpert et al., “High-power femtosecond Yb-doped fiber amplifier”, Opt. Express 10 (14), 628 (2002)
:+:6_x [3] K.-I. Ueda, H. Sekiguchi, and H. Kan, “1 kW CW output from fiber-embedded disk lasers”, in Proceedings of the Conference on Lasers and Electro-Optics 2002, Long Beach, USA, May 19–24, 2002, post-deadline paper CPDC4
<s}|ZnGE [4] J. Limpert et al., “500 W continuous-wave fibre laser with excellent beam quality”, Electron. Lett. 39, 645 (2003)
/$:U$JVb?l [5] W. J. Wadsworth et al., “High power air-clad photonic crystal fibre laser”, Opt. Express 11 (1), 48 (2003)
Sdx Y>; [6] H. Sekiguchi et al., “1 kW output fibre lasers”, Rev. Laser Eng. 31, 525 (2003)
Gs_qO)~xo [7] Y. Jeong et al., “Ytterbium-doped large-core fiber laser with 1.36 kW continuous-wave output power”, Opt. Express 12 (25), 6088 (2004)
sa9fK Z'q [8] F. Röser et al., “131 W 220 fs fiber laser system”, Opt. Lett. 30 (20), 2754 (2005)
ej52AK7 [9] J. Limpert et al., “High-power rod-type photonic crystal fiber laser”, Opt. Express 13 (4), 1055 (2005)
j{;|g%5t [10] D. Y. Shen et al., “Highly efficient Er,Yb-doped fiber laser with 188 W free-running and > 100 W tunable output”, Opt. Express 13 (13), 4916 (2005)
qo_]ZKL44 [11] J. Limpert et al., “High-power ultrafast fiber laser systems”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12 (2), 233 (2006)
Me/\z^pF [12] J. W. Dawson et al., “Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers and amplifiers to high average power”, Opt. Express 16 (17), 13240 (2008)
k_?~<vTM [13] D. J. Richardson, J. Nilsson, and W. A. Clarkson, “High power fiber lasers: current status and future perspective”, J. Opt. Soc. Am. B 27 (11), B63 (2010)
]'k[u [14] A. V. Smith and J. J. Smith, “Mode instability in high power fiber amplifiers”, Opt. Express 19 (11), 10180 (2011)
6IP$n($2 [15] A. V. Smith and J. J. Smith, “Steady-periodic method for modeling mode instability in fiber amplifiers”, Opt. Express 21 (3), 2606 (2013)
Yj|]Uff8O [16] S. Naderi et al., “Investigations of modal instabilities in fiber amplifiers through detailed numerical simulations”, Opt. Express 21 (13), 16111 (2013)
nJT4w|Yx [17] C. Jauregui et al., “High-power fibre lasers” (a review paper), Nature Photon. 7, 861 (2013)
8QF2^*RZ7z [18] G. Mourou et a l., “The future is fibre accelerators”, Nature Photon. 7, 258 (2013)
@]=f?+y[ 2 [19] R. Paschotta, “Fiber amplifiers – a technology for many applications”. Part 1: introduction, Part 2: various technical issues, Part 3: examples for fiber amplifier designs
+9[SVw8 [20] R. Paschotta, tutorial on "Fiber Amplifiers", part 6 on double-clad high-power devices
