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(yùn)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(rèn)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(yùn)技術(shù)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(dá)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(zhì)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(yīng)用前景。2．不同波長光纖激光器的研究進(jìn)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Y(jié)b3+，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(dǎo)、倍頻激光光源、抽運(yùn)光源等領(lǐng)域的應(yīng)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(jì)80年代中期，Alcock等便在Nd3+離子摻雜光纖中實(shí)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(nèi)可調(diào)。而后，隨著激光抽運(yùn)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(diào)諧范圍達(dá)到1.01~1.16 μm。近年來，國內(nèi)南開大學(xué)、中科院上海光機(jī)所、華南理工大學(xué)等課題組以摻Y(jié)b3+（摻Nd3+）玻璃光纖作為增益介質(zhì)，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(zhì)量和較高的輸出功率。目前，英國南安普頓大學(xué)的課題組摻Y(jié)b3+石英光纖激光器已實(shí)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(jì)90年代以來，成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。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(guān)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(xué)已經(jīng)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(xué)，以及我國南開大學(xué)、華南理工大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)也已經(jīng)獨(dú)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(xué)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(dá)、遙感等方面具有廣泛應(yīng)用。此外，水分子在2.0 μm附近有強(qiáng)烈的中紅外吸收峰，用該波段激光進(jìn)行手術(shù)，有利于加快血液凝結(jié)，減小手術(shù)創(chuàng)傷，因此，中紅外光纖激光器在醫(yī)療和生命科學(xué)領(lǐng)域也具有重要的應(yīng)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(yùn)源，在摻Tm3+石英光纖中實(shí)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(nèi)調(diào)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(shí)現(xiàn)了位于1740~2017 nm、最大功率達(dá)到50 mW的單頻激光輸出。最近，美國Northrop Grumman 公司運(yùn)用組束的方法，在單模摻Tm3+光纖激光器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了波長2040 nm、功率達(dá)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(shí)現(xiàn)中紅外激光的高效發(fā)射，運(yùn)用800nm附近的激光對Ho3+ ，Tm3+ 共摻光纖進(jìn)行抽運(yùn)，Tm3+和Ho3+ 離子之間可以發(fā)生有效的能量傳遞，從而實(shí)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(qiáng)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(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。此外2.8 μm光纖激光器還可以用作中遠(yuǎn)紅外激光器的抽運(yùn)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(jìn)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(zhì)材料具有低聲子能量和高的光學(xué)透過率，所以一般采用氟化物玻璃作為光纖基質(zhì)。上世紀(jì)末，美國新墨西哥大學(xué)的Jain等運(yùn)用Er3+/Pr3+共摻ZBLAN光纖作為光纖激光器的增益介質(zhì)，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(lǐng)域?qū)饫w激光器激光發(fā)射波長，以及光束質(zhì)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(gè)方面。 1) 新波段 由于3.0~5.0 μm波段激光具有很強(qiáng)的大氣穿透能力，具有應(yīng)用于激光制導(dǎo)、遙感等軍事領(lǐng)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(chǎn)生3.9 μm附近激光發(fā)射的Ho3+ 離子、產(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(shí)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(guān)報(bào)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(yùn)用種類繁多的稀土離子作為激光激活粒子外，運(yùn)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(shí)現(xiàn)新波段光纖激光器的重要途徑之一。21世紀(jì)初，日本大阪大學(xué)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(jī)所的邱建榮教授課題組系統(tǒng)研究了發(fā)光機(jī)理，并實(shí)現(xiàn)了覆蓋1265~1560 nm的超寬帶光放大。2008年，俄羅斯科學(xué)院的Dianov課題組運(yùn)用改進(jìn)化學(xué)氣相沉積（MCVD）技術(shù)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(qiáng)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(shí)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(diào)濾波器、F－B濾波器、Bragg光柵等波長選擇器對增益譜內(nèi)起振的縱模數(shù)進(jìn)行限制，只讓滿足特定條件的少數(shù)幾個(gè)縱模，甚至只有一個(gè)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(shí)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(dá)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。 窄線寬光纖激光器的核心問題是實(shí)現(xiàn)激光器的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)和抑制多縱模振蕩以及跳模現(xiàn)象。目前實(shí)現(xiàn)光纖激光器窄線寬的方式主要有：使用短直腔、使用復(fù)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(yùn)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(zhì)，與一對Bragg光柵構(gòu)成光纖激光器，實(shí)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(xué)楊中民教授課題組同樣運(yùn)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(zhì)的光纖激光器中實(shí)現(xiàn)了線寬小于2 kHz的窄線寬激光輸出，其輸出功率達(dá)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(xué)、軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，主要通過鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)光纖激光器的超短脈沖激光輸出。運(yùn)用單獨(dú)的鎖模技術(shù)構(gòu)建的超短脈沖光纖激光器的功率都較低，為了實(shí)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(shù)，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(gè)數(shù)量級，在很多領(lǐng)域具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，然而，要想使超短脈沖光纖激光器盡快走向?qū)嵱没缆罚€需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)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(yùn)光耦合效率和采用大模場面積雙包層光纖作為增益介質(zhì)等方法進(jìn)行改善；2）超短脈沖激光的穩(wěn)定性——由于外界環(huán)境擾動(dòng)、激光在諧振腔內(nèi)偏振態(tài)的起伏、頻譜邊帶或超模噪聲等等因素會(huì)導(dǎo)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(shù)和措施來提高超短脈沖光纖激光器的工作穩(wěn)定性。