1． 引言 早期用于光纖激光器和光纖放大器的光纖多為單包層光纖，普通的摻稀土單模光纖的纖芯只有數(shù)微米，抽運光很難有效耦合到光纖纖芯中去。因此，光纖激光器通常被認為是一種低功率的光子器件。近年來隨著新型雙包層光纖的出現(xiàn)和包層抽運技術的發(fā)展，光纖激光器的功率輸出呈現(xiàn)指數(shù)級增長。最近，單模光纖激光器的激光輸出功率已達到千瓦量級以上。 目前，研究較多的光纖激光器主要為摻稀土光纖激光器。摻稀土光纖激光器所使用的光纖基質材料，主要有石英玻璃和多組分玻璃兩大類，而多組分玻璃又包括氟化物玻璃、磷酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃、鍺酸鹽玻璃以及混合系統(tǒng)玻璃等。本文主要概述并展望了玻璃光纖及光纖激光器的研究現(xiàn)狀與應用前景。2．不同波長光纖激光器的研究進展 目前，根據(jù)稀土摻雜種類和激光發(fā)射波長的不同，已成功研制的光纖激光器主要包括下述4種： 1) 1.0 μm附近 (摻Yb3+，Nd3+) 光纖激光器 1.0 μm附近光纖激光器由于在光纖通信、激光制導、倍頻激光光源、抽運光源等領域的應用而得到了廣泛研究。目前，1.0 μm附近光纖激光器的摻雜稀土離子主要有Yb3+離子和Nd3+離子等。早在上世紀80年代中期，Alcock等便在Nd3+離子摻雜光纖中實現(xiàn)了Nd3+離子4F3/2→4I9/2的激光發(fā)射，該激光波長在900~945 nm內可調。而后，隨著激光抽運光源的完善，Yb3+離子摻雜光纖激光器也被成功研制出來，其激光輸出波長的調諧范圍達到1.01~1.16 μm。近年來，國內南開大學、中科院上海光機所、華南理工大學等課題組以摻Yb3+（摻Nd3+）玻璃光纖作為增益介質，相繼研制了1.0 μm附近激光輸出的光纖激光器，并獲得了較佳的激光光束質量和較高的輸出功率。目前，英國南安普頓大學的課題組摻Yb3+石英光纖激光器已實現(xiàn)了1800 W的高功率激光輸出。 2) 1.5 μm附近 (摻Er3+，Er3+/Yb3+) 光纖激光器 由于激光輸出波長位于石英光纖的1.5 μm光通信窗口附近，摻Er3+光纖激光器自上世紀90年代以來，成為了國內外研究的熱點。隨著研究者們對Er3+摻雜以及Er3+/Yb3+共摻玻璃光纖的激光輸出性能的深入研究，關于1.5 μm附近光纖激光器的研制已較成熟。英國南安普頓大學已經研制出了1.5 μm附近激光輸出功率超過150 W的光纖激光器，美國的NP Photonics公司、亞利桑那大學，以及我國南開大學、華南理工大學等研究機構也已經獨立研制出1.5 μm附近激光輸出的摻Er3+光纖激光器。 華南理工大學光通信材料研究所自主研制的Er3+/Yb3+)共摻窄線寬單頻光纖激光器3) 2.0 μm附近 (摻Tm3+，Ho3+) 光纖激光器 2.0 μm激光是人眼安全的激光，在氣象監(jiān)測、激光測距、激光雷達、遙感等方面具有廣泛應用。此外，水分子在2.0 μm附近有強烈的中紅外吸收峰，用該波段激光進行手術，有利于加快血液凝結，減小手術創(chuàng)傷，因此，中紅外光纖激光器在醫(yī)療和生命科學領域也具有重要的應用。目前，用于2.0 μm附近中紅外激光輸出的激光激活粒子主要有Tm3+和Ho3+離子等。利用Tm3+離子的3F4→3H6和Ho3+離子的5I7→5I8躍遷發(fā)射，可分別獲得波長位于2.0 μm和2.1μm 附近的激光輸出。早在1989年，Hanna等采用波長為1.064 μm的Nd:YAG激光器作為抽運源，在摻Tm3+石英光纖中實現(xiàn)了2.038 μm的激光發(fā)射。由于玻璃光纖的非晶態(tài)屬性，Tm3+離子的激光發(fā)射波長可以在較大范圍內調諧。美國NP Photonics公司的Geng等在摻Tm3+鍺酸鹽玻璃光纖激光器中，實現(xiàn)了位于1740~2017 nm、最大功率達到50 mW的單頻激光輸出。最近，美國Northrop Grumman 公司運用組束的方法，在單模摻Tm3+光纖激光器系統(tǒng)中實現(xiàn)了波長2040 nm、功率達到608 W的激光輸出。Ho3+離子摻雜光纖激光器通常通過與Tm3+離子的共摻來實現(xiàn)中紅外激光的高效發(fā)射，運用800nm附近的激光對Ho3+ ，Tm3+ 共摻光纖進行抽運，Tm3+和Ho3+ 離子之間可以發(fā)生有效的能量傳遞，從而實現(xiàn)波長在2.0~2.1 μm的高效激光輸出。 4) 2.8 μm附近 (摻Ho3+，Er3+ 光纖激光器 由于2.8 μm附近存在較強的水分子吸收峰，因此，該波段光纖激光器在生物、醫(yī)療等領域具有潛在的應用。此外2.8 μm光纖激光器還可以用作中遠紅外激光器的抽運光源，因此，研究者們對2.8 μm附近激光輸出的光纖激光器進行了研究。目前，利用Er3+離子的4I11/2→4I13/2和Ho3+離子的5I6→5I7躍遷發(fā)射，可獲得波長位于2.8 μm附近的激光輸出。由于2.8 μm附近激光發(fā)射需要基質材料具有低聲子能量和高的光學透過率，所以一般采用氟化物玻璃作為光纖基質。上世紀末，美國新墨西哥大學的Jain等運用Er3+/Pr3+共摻ZBLAN光纖作為光纖激光器的增益介質，首次獲得了Er3+離子位于2.8 μm附近的激光輸出。 3． 光纖激光器的展望 隨著光通信、光傳感、國防、醫(yī)療等領域對光纖激光器激光發(fā)射波長，以及光束質量需求越來越迫切，目前，光纖激光器的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在新波段、窄線寬、超短脈沖等幾個方面。 1) 新波段 由于3.0~5.0 μm波段激光具有很強的大氣穿透能力，具有應用于激光制導、遙感等軍事領域的巨大潛能。目前，3.0~5.0 μm波段激光激活稀土粒子主要有產生3.9 μm附近激光發(fā)射的Ho3+ 離子、產生4.6 μm附近激光發(fā)射的Er3+ 離子和Pr3+ 離子等。但是用于基質材料的多為YLF (LiYF4)、BYF(BaYF5)、KPb2CI5 (KPC)、KPb2Br5 (KPB)等中紅外透過性能較高和聲子能量較低的晶體，對于3.0~5.0 μm激光輸出的光纖激光器而言，由于對玻璃光纖基質材料的要求較為苛刻，目前只在低溫（液氮制冷）的條件下，在Ho3+離子摻雜ZBLAN光纖中實現(xiàn)了能量為數(shù)毫瓦的3.9 μm激光發(fā)射，而在室溫下還沒有在3.0~5.0 μm激光發(fā)射的光纖激光器相關報道。因此，開發(fā)出室溫下3.0~5.0 μm波段高效激光輸出的光纖激光器具有重要意義！ 除了運用種類繁多的稀土離子作為激光激活粒子外，運用具有寬帶發(fā)光的過渡金屬離子作為激光激活粒子也是實現(xiàn)新波段光纖激光器的重要途徑之一。21世紀初，日本大阪大學的Fujimoto課題組觀察到了Bi離子摻雜玻璃位于1300 nm附近的寬帶熒光。中科院上海光機所的邱建榮教授課題組系統(tǒng)研究了發(fā)光機理，并實現(xiàn)了覆蓋1265~1560 nm的超寬帶光放大。2008年，俄羅斯科學院的Dianov課題組運用改進化學氣相沉積（MCVD）技術制備了Bi離子摻雜石英光纖，并研制了1100~1500 nm區(qū)間多波長激光發(fā)射的鎖模Bi離子摻雜光纖激光器。除了Bi離子外，在近紅外波段具有較強熒光發(fā)射的Ni2+，Cr4+等過渡金屬離子同樣有潛能作為激光激活粒子實現(xiàn)光纖激光器中新波段激光的輸出。 2) 窄線寬 所謂窄線寬激光器，就是通過可調濾波器、F－B濾波器、Bragg光柵等波長選擇器對增益譜內起振的縱模數(shù)進行限制，只讓滿足特定條件的少數(shù)幾個縱模，甚至只有一個縱模發(fā)生激光振蕩。窄線寬光纖激光器的輸出光具有極高的時間相干性和極低的相位噪聲，使得其在高分辨干涉儀、相干通信、光纖傳感和激光雷達等領域具有重要的應用。 窄線寬光纖激光器的核心問題是實現(xiàn)激光器的單縱模運轉和抑制多縱模振蕩以及跳模現(xiàn)象。目前實現(xiàn)光纖激光器窄線寬的方式主要有：使用短直腔、使用復合腔、使用飽和吸收體、使用超窄通帶濾波器等。美國NP Photonics公司的Spiegelberg等運用短直腔的方法，利用一根數(shù)厘米長的Er3+/Yb3+共摻玻璃光纖作為增益介質，與一對Bragg光柵構成光纖激光器，實現(xiàn)了1550 nm處、線寬小于2 kHz的窄線寬激光輸出。最近，華南理工大學楊中民教授課題組同樣運用短直腔的方法，在一根2 cm長的Er3+/Yb3+共摻單模磷酸鹽玻璃光纖作為增益介質的光纖激光器中實現(xiàn)了線寬小于2 kHz的窄線寬激光輸出，其輸出功率達到300 mW。 3) 超短脈沖 超短脈沖（皮秒、飛秒等）光纖激光器在精密加工、醫(yī)學、軍事等領域具有廣闊的應用前景。目前，主要通過鎖模技術實現(xiàn)光纖激光器的超短脈沖激光輸出。運用單獨的鎖模技術構建的超短脈沖光纖激光器的功率都較低，為了實現(xiàn)高功率超短脈沖激光器，研究者們采用啁啾脈沖放大 (CPA) 技術，將鎖模光纖激光器輸出激光脈沖峰值功率提升至太瓦 (1012 W) 乃至拍瓦 (1015 W) 量級。雖然超短脈沖光纖激光器的峰值功率比普通光纖激光器高數(shù)個數(shù)量級，在很多領域具有重要的實際應用價值，然而，要想使超短脈沖光纖激光器盡快走向實用化道路，還需要在以下幾個方面進行進一步的研究：1）提高激光脈沖能量——相比商用化的固態(tài)激光器，超短脈沖光纖激光器的脈沖能量仍然較低，提高脈沖能量可以通過提升抽運光耦合效率和采用大模場面積雙包層光纖作為增益介質等方法進行改善；2）超短脈沖激光的穩(wěn)定性——由于外界環(huán)境擾動、激光在諧振腔內偏振態(tài)的起伏、頻譜邊帶或超模噪聲等等因素會導致鎖模光纖激光器的穩(wěn)定性不足，因此，需要繼續(xù)探索和尋求新的技術和措施來提高超短脈沖光纖激光器的工作穩(wěn)定性。