定義：輸出功率（>10W）很高的光纖激光器和光纖放大器。 y7>iz6N  
第一臺光纖激光器的輸出功率只有幾個毫瓦，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）和導波（波導）性質，避免了在很高溫度下的熱光效應問題。 kzMa+(fu  
光纖激光器技術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爭力。 Y=9qJ`q  
,E%1Uq"  
雙包層光纖和光束質量 Z*h43  
5bXHz5i  
)^&,Dj  
>o#ERNf  
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。泵浦管并不是進入光纖纖芯，而是進入內包層，也是在內包層產生激光。產生的激光光束質量很好，甚至可以得到衍射極限的光束質量，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數量級，盡管輸出功率比泵浦光小。（通常泵浦效率大于50%，有時甚至大于80%）因此這種光纖激光器可以用來作為亮度轉換器，也就是提高光亮度的裝置。 A1Ka(3"  
對于特別高的功率，纖芯面積需要足夠大（參閱大模式面積光纖），因為這時光強會很高，還有一個原因就是雙包層光纖中包層與纖芯面積比值很大從而導致泵浦吸收很小。當纖芯面積達到幾千平方微米的量級，采用單模纖芯是可行的。采用多模光纖，模式面積比較大時也可以得到質量相當好的輸出光束，這時光波主要是基模。（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)，高功率時的強模式耦合情況除外[14]）模式面積變得更大后，光束質量不再能保持衍射極限，但相比于例如工作于相似功率強度下的棒激光器，得到的光束質量仍是相當好了。 e$HQuA~Q;  
4b]_ #7Qm  
JfbKf~g  
注入泵浦光 %Mh Q  
U{"f.Z:Ydo  
關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�，對灰塵或者不對準非常敏感。許多情況下，會優(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移至摻雜光纖中。有一些方法是采用專門的泵浦結合裝置，將一些泵浦光纖和摻雜信號光纖融合在一起。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去。后種技術允許泵浦光多點注入，因此可以更好的分配熱負荷。 >jv\Qh  
所有的注入泵浦光的方法之間的比較狠復雜，因為涉及到很多方面：轉移效率，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。 Cl
dDr<k3  
21ViHV  
激光器和放大器 8[oYZrg  
r?\|f:M3  
理論上產生高功率激光最簡單的方法是采用幾個鏡子直接構建一個腔激光器。然而，通常高功率光纖裝置會與激光放大器結合起來，也就是采用MOFA結構（主振蕩光纖激光器）。這種結構具有一些優(yōu)點。低功率的種子激光在線寬、激光噪聲、波長調諧、脈沖產生等方面的性質比較容易控制，激光器腔內功率則更高一些（盡管作為高增益裝置，光纖激光器允許很強的輸出耦合）。另外，采用調制器方案更好，這樣可以把各級的放大器連起來。在有些情況，尤其是采用種子激光器的情況，通常采用多級放大器，這時在放大器鏈上模式面積和泵浦功率都逐漸增大。 $Y6 3!*  
4\\.n  
納秒脈沖 un6cD$cHr  
W+.{4K  
通常用于材料加工的高功率激光器為調Q激光器，產生很強的納秒脈沖。在這個領域，光纖裝置主要在峰值功率上受限制：需要遠離各種非線性效應，自聚集效應將峰值功率限制在幾個兆瓦，即使通過增大模式面積也不能再增大。實際得到的峰值功率都小于1兆瓦，即使對于大模式功率的光纖也不例外。也就是說，如果脈沖長度為1ns，脈沖能量則小于幾個毫焦耳。 O"\nR:\  
光纖裝置的高增益也使靈活的MOPA裝置易于實現，它采用增益開關激光二極管作為種子激光。這種方案不同于調Q激光器，它可以調整脈沖長度而不會改變脈沖重復率。 aV<^IxE;  
BMdSf(l  
超短脈沖 xkM] J)C  
(|dPeix|  
光纖放大器大的增益帶寬可以用來放大超短脈沖。然而，這時強的光纖非線性效應影響很大，因為能量很高的飛秒脈沖具有非常大的峰值功率。除了存在對光纖損傷的危險之外，強非線性效應引起強的脈沖畸變，另外很高的色散（包含高階色散）也是一個問題。尤其需要考慮脈沖質量時，這些因素都需要認真考慮。 Vg{Zv4+t  
一種可能的方案是采用啁啾脈沖放大系統(tǒng)，放大器中脈沖長度被顯著提高，因此非線性效應相應的被減小。另一個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量脈沖。 U,'EF[t  
盡管上面提到的方案可以提高高功率超短脈沖的質量（至少對于幾個兆赫茲的脈沖重復率和中等脈沖能量情況），這些結果通常是基于一些自由空間光學的裝置，因此會失去一些光纖系統(tǒng)的優(yōu)勢。一個很有意思的方向是發(fā)展全光纖的超短脈沖源，可以實現自由空間脈沖壓縮（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。 M'DWu|dIBA  
~\[?wN  
未來發(fā)展前景 @ ICbKg:  
x~EKGoz3  
盡管近來高功率光纖裝置的發(fā)展已經非常迅速，仍然存在一些局限性阻礙了進一步的發(fā)展： )yrAov\z*  

• 高功率光纖裝置的光強提高了很多�，F在通�？梢赃_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量的情況時也存在局限性。
• 單位長度的功率損耗已經達到100W/m量級，導致光纖中很強的熱效應。采用水冷卻的方法可以很大程度的提高功率。摻雜濃度低的更長的光纖冷卻更容易，但是這會提高非線性效應。
• 對于不是嚴格的單模光纖，當輸出功率大于某個閾值時，存在模式不穩(wěn)定性，通常為幾百瓦特。模式不穩(wěn)定性導致光束質量的突然降低，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移到波長較長的斯托克斯波上，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，當然也有一些測量方式在一定程度上可以抵消這一效應。在鎖模激光器中的產生的超短脈沖，自相位調制會對其產生很強的光譜展寬效應。另外，還存在其它注入非線性偏振旋轉的問題。

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格的看做可擴展功率的裝置，至少在能達到的功率范圍之外不能。（之前的改進方法并沒有采用單功率定標來實現，而是采用改進的光纖設計和泵浦二極管。）這在光纖激光器技術與薄盤激光器對比時有很重要的后果。在詞條激光功率定標中有更詳細的描述。 +TF8WZZF.d  
即使不能真正的進行功率擴展，在改進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計，例如采用大的光纖模式面積和單模導引，通常采用光子晶體光纖來實現。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。一旦達到某個光纖的功率極限，合成光束是另一個選擇，存在合適的光纖裝置來實現這種技術。對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，例如展寬光譜和其后的脈沖壓縮。 p0Gk j-  
參考文獻 nS.2C>A  
)km7tA 0a  
[1] A. Galvanauskas, “Mode-scalable fiber-based chirped pulse amplification systems”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 7 (4), 504 (2001) VRF6g|0;  
[2] J. Limpert et al., “High-power femtosecond Yb-doped fiber amplifier”, Opt. Express 10 (14), 628 (2002) k1#5nYN.  
[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 W^k,Pmopy  
[4] J. Limpert et al., “500 W continuous-wave fibre laser with excellent beam quality”, Electron. Lett. 39, 645 (2003) L7}i q0  
[5] W. J. Wadsworth et al., “High power air-clad photonic crystal fibre laser”, Opt. Express 11 (1), 48 (2003) L<=)