6 飞秒光纤激光器

第六章 飞秒光纤激光器

稀土元素掺杂的单模光纤激光器诞生于80年代中期, 光纤孤子激光器也随后发明，真正稳定的超

短脉冲光纤激光器(20ps)出现在1989年[1]。近年来随着固体飞秒激光器的发展, 飞秒量级的光纤激光器

也已出现, 并成为飞秒固体激光器强有力的竞争对手。它的最大优点是小型化, 高效率, 省能源, 稳定性

好。具有这些优点的最大原因取决于稀土掺杂的光纤作为激光介质。首先，光纤介质细长、易于散热，

相同体积下，表面积比固体激光介质增大2～3个数量级；另外，光纤激光器的激光横模由光纤纤芯直

径和数值孔径决定，不会因热变形而变化，因此易于保持单横模运转；而现在，随着光纤技术的发展，

光纤具有了双包层结构，采用这种双包层结构，可以大大提高转换效率和输出功率；此外，光泵浦功率

在光纤内传输时，截面积不变，有利于保持高功率密度，有利于实现上转换激光，有利于三能级系统达

到高效率。飞秒光纤激光器甚至可以做成手掌大小。缺点是它的功率还很低(几毫瓦到几十毫瓦), 脉冲

还不够短(80~100fs), 波长还不可以任意调谐。

飞秒光纤激光器固然可以用一般的锁模方法, 例如调制器主动锁模, 同步泵浦锁模等, 但是最简单

最有应用价值的还是克尔效应型被动锁模和可饱和吸收镜被动锁模。本章中我们先简单回忆一下光纤

（包括普通单模光纤和双包层光纤）的基本特性，然后着重分析一下几种不同腔型结构的飞秒光纤激光

器及其锁模原理，最后介绍一下目前研究较为广泛的几种锁模光纤激光器。

6.1 光纤简介

光纤全称光导纤维，简单的说它是由纤芯、包层和涂覆层构成。光在光纤中的传播是靠全内反射原

理，即光纤纤芯的折射率要大于包层的折射率,如图（6.1.1）所示。根据光纤纤芯的折射率不同，光纤

又可以简单划分为两种结构：纤芯折射率一定的称为阶梯折射率分布光纤，简称SIF （Step Index Fiber ），

图(6..1.1)所示的就是这种光纤的折射率分布示意图；另一种是纤芯折射率随半径r 变化的光纤，称为渐

变折射率光纤，简称GIF(Graded Index Fiber)，常用光纤前一种居多。下面我们分析一下单模光纤，大

模面积光纤及双包层光纤的具体特征。

横截面轴截面折射率

图 6.1.1 单模光纤传播原理及折射率分布示意图。

6.1.1 单模光纤与大模面积光纤

根据柱坐标和柱面边界条件的麦克斯韦方程，光在光纤中可以传播很多横模模式。光在光纤中的传

播特性可以从柱坐标的波动方程得到，我们简单总结一下光纤的基本特性。

光纤的一个重要参数就是连接介质条件的归一化频率V 参数，定义为：

02221aNA n n a V λπλπ=-⋅=

(6.1.1) 其中n n n n NA ∆=-=

222210，是光纤的数值孔径。V 是个无量纲的量，决定光纤可以支持多少个模式。它的意义是，除了HE 11模式，每个模式超过一定的V 值才能存在（每个模式都对应一个极限值）。

当k n 2=β时，这些模式都会截止，这个值就是405.2≤V 。当V 很大时，V 值也可以用来表示存在的

模式数目M ：

2)(2212

22212V n n a M =-⎪⎭⎫ ⎝⎛≈λπ (6.1.2)

在波长确定的情况下，光纤V 参数取决于光纤的半径和折射率差。为了实现单模工作，就要慎选光纤直

径和折射率差。通常的光纤直径在5~6μm 左右。如果加大折射率差，单模工作时要求的芯径就会更小。

在极端情况下，例如空气包层，光纤的直径就会缩小到1~2μm 左右。这样细的纤芯是很难在空气中独

立存在的。事实上，空气包层是由在包层中“打”的无数孔来实现的，这就是所谓的光子晶体光纤（见第

11章）。包层的折射率是由空气所占的面积的比例决定的。大芯光纤可能工作在多模。但是如果纤芯

与包层之间有较小的折射率差，满足(6.1.2)式，较大芯径（例如20~30μm ）的光纤也可以工作在单模。

这种光纤称为大（单）模面积光纤（Large Mode Area, LMA ），以区别于大芯光纤。最近，大（单）模

面积光纤由于光子晶体光纤概念的提出而获得了极大的发展。包层中较少的孔可以等效为较小的折射率

差。对于传统的单模光纤，纤芯和包层的折射率差在0.2％至0.1％之间。纤芯直径应该选择为刚好在第

一个高阶模的截止条件之下，即，使V 稍稍小于2.405。例如，对于800nm 波长，光纤应该有6微米纤

芯直径和0.1的数值孔径。这样，V ＝2.356。满足单模运转条件。

6.1.2 双包层光纤与泵浦光的吸收效率

掺杂光纤作为光学谐振腔的主要组成部分，其结构对于光纤激光器的运转起着很大作用。早期的掺

杂光纤采用普通的单层结构(single-clad)。为了维持单模运转，光纤的芯径必须小于5μm ，这就与泵浦用

半导体激光器的大发散角和大聚焦面积之间发生矛盾，泵浦光很难耦合入纤芯，降低了泵浦效率。于是

有人在1988年提出泵浦光进入包层的思想，即双包层结构光纤(double-cladding fiber)的概念[2]。

以D 形光纤为例，双包层光纤是由四部分组成，其横截面如图（6.1.2）所示：

横截面轴截面

图 6.1.2 D 形双包层光纤截面示意图及泵浦示意图。

中间一部分内包层(Inner cladding)，也被称为泵浦芯（pump core ），它是一根具有较大直径和较高

数值孔径的多模光波波导，第二部分－纤芯是泵浦芯中嵌入一根掺稀土元素的光纤芯（laser core ）, 纤

芯的尺寸一般是泵浦芯的1/20，为几个或几十微米，成为单模的光波。第三部分是外包层,也称第一包

层（First cladding ），第四部分是光纤最外层的光固化涂层(Coating)。对于这种双包层结构的光纤来说，

泵浦光不是直接进入到纤芯中，而是先进入到包围在纤芯外部的泵浦芯中，而后在整个光纤长度上传输

的过程中，泵浦光都是从多模的泵浦芯耦合到单模的纤芯中的，从而延长了泵浦长度以使泵浦光被充分

吸收。内包层的作用有：1、限制和保证振荡激光在纤芯中传播，输出激光的光束质量高；2、构成泵浦

光的传播通道，3、内包层的横向尺寸和数值孔径均远大于纤芯，内包层的尺寸一般大于100μm ，使得

聚焦后的泵浦光可以高效地耦合进内包层；4、普通单模光纤激光器要获得单模输出，泵浦光也必须是

单模的，但单模泵浦光功率非常低；双包层光纤激光器的输出模式是由其波导结构限制和决定的，高功

率的多模半导体激光泵浦，就可获得高功率单模激光输出。

这种简单、高效的耦合方式，使高功率半导体激光器产生的多模状态的泵浦光，有效地转化为具有

很好光束质量的高亮度激光。