高功率單晶光纖超短脈沖放大技術(shù)研究進(jìn)展（特邀）

曹雪，李峰，趙華龍，王屹山，周偉，沈德元

（1 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710119）

（2 西安交通大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院陜西省信息光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049）

（3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

（4 江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 江蘇省先進(jìn)激光材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116）

0 引言

高重復(fù)頻率、高功率的飛秒光源，可作為阿秒脈沖產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)光源，能夠有效地提升光子通量并快速獲取足夠?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，并克服現(xiàn)存的空間電荷效應(yīng)難題，因而在高次諧波及阿秒脈沖產(chǎn)生方面具有重要應(yīng)用價(jià)值［1-3］。同時(shí)，高重頻、高功率飛秒脈沖在超快激光精密微加工領(lǐng)域也具有重要的應(yīng)用前景，可以解決目前航空、航天領(lǐng)域的硬、脆、柔材料加工難的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)高精度、高質(zhì)量的“冷加工”效果［4-6］。同時(shí)，隨著超快激光加工市場(chǎng)的快速打開，具有高的性價(jià)比的高功率飛秒激光系統(tǒng)也成為了工業(yè)界關(guān)注的重要因素。

超快激光放大器按照增益介質(zhì)的形狀結(jié)構(gòu)可分為光纖放大器、棒狀（塊狀）晶體放大器、板條晶體（或陶瓷）放大器、碟片晶體放大器和單晶光纖放大器等，各種放大器具有不同的優(yōu)勢(shì)，在超快激光領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用前景。

在固體放大領(lǐng)域的碟片放大器和板條放大器，由于其有效的散熱封裝結(jié)構(gòu)，在高功率大能量放大方面也具有廣泛的應(yīng)用前景，取得了非常出色的參數(shù)輸出。RUSSBUELDT P 等［7］基于Yb：KGW 的振蕩器，結(jié)合兩級(jí)Yb：YAG 板條放大器，所用板條尺寸為1 mm×10 mm×10 mm，其放大過程中并未采用啁啾脈沖放大（Chirped Pulse Amplification，CPA）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了1 100 W、20 MHz（55 μJ）、615 fs 的直接飛秒放大輸出，是當(dāng)時(shí)基于板條放大獲得的最高功率。而在碟片超短脈沖激光研究方面，SALTARELLI F 等［8］采用100 μm 厚，摻雜原子濃度10%的Yb：YAG 碟片增益介質(zhì)和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（Semiconductor Saturable Absorber Mirror，SESAM）鎖模獲得了振蕩器輸出平均功率350 W、脈寬940 fs、脈沖重頻8.88 MHz 的超短脈沖。采用碟片克爾透鏡鎖模，注入碟片再生放大器，碟片為厚度100 μm、直徑9 mm 的Yb：YAG 水冷薄片摻雜濃度為7%，F(xiàn)ATTAHI H 等［9］獲得了脈沖能量20 mJ，脈寬1 ps，重頻5 kHz 的超短脈沖激光。相較于傳統(tǒng)的固體激光器，光纖放大器具有操作方便、全光纖熔接、易于集成、散熱性能優(yōu)越、光束質(zhì)量?jī)?yōu)異等特征，在超短脈沖放大領(lǐng)域備受關(guān)注。但是受限于普通單?；蛘呓鼏文９饫w的有限模場(chǎng)面積，在高功率大能量脈沖放大過程中，受到受激拉曼散射、受激布里淵散射、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制等多種非線性效應(yīng)的影響，使得基于光纖結(jié)構(gòu)的超短脈沖放大系統(tǒng)的輸出能量受到限制［10］。為了實(shí)現(xiàn)高功率大能量的飛秒脈沖放大輸出，目前光纖放大系統(tǒng)主要采取的結(jié)構(gòu)為CPA 系統(tǒng)，在放大前將脈沖在時(shí)域上進(jìn)行展寬，同時(shí)，在空間域上，采用具有大模場(chǎng)的特種光纖實(shí)現(xiàn)高能量輸出。目前，大模場(chǎng)光纖包括手性耦合纖芯光纖（Chirally-Coupled Core，CCC），柔性光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）以及棒狀光子晶體光纖（Rod-type PCF）等特種光纖。

單晶光纖（Single Crystal Fiber，SCF）作為一種介于光纖和傳統(tǒng)體塊材料的新型激光放大器增益介質(zhì)，放大特征結(jié)合了固體和光纖放大器的優(yōu)勢(shì)，在超快激光放大領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。SCF 的直徑大小一般從幾十微米到一毫米，其長(zhǎng)度大多為幾十厘米，因此SCF 的表面體積比較大，高功率泵浦時(shí)，其散熱能力較好，可以提升其光束質(zhì)量。SCF 的特征是信號(hào)光能夠在其內(nèi)部自由傳輸，其具有細(xì)長(zhǎng)的幾何結(jié)構(gòu)，較高的側(cè)面光潔度，因此泵浦光能夠在其內(nèi)部波導(dǎo)式傳輸，有效提高信號(hào)光和泵浦光的重疊率，作為超短脈沖放大器，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)體塊材料放大數(shù)倍的單通增益。與此同時(shí)，SCF 的模場(chǎng)面積得到了提升，模場(chǎng)直徑可達(dá)數(shù)百微米，因此放大時(shí)非線性積累小，較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)就可以產(chǎn)生高功率大能量的飛秒輸出。

本文重點(diǎn)從單晶光纖的制備、Yb：YAG 單晶光纖的放大特點(diǎn)、Yb：YAG 單晶光纖在高功率大能量超短脈沖放大方面的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展等方面進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)本課題組在高功率超短脈沖摻鐿單晶光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)等方面的工作進(jìn)行介紹，對(duì)單晶光纖在超短脈沖放大領(lǐng)域的發(fā)展方向做了總結(jié)和展望。

1 單晶光纖制備方法與進(jìn)展

單晶光纖主要有兩種形式：1）帶包層的柔性可彎曲SCF，直徑低至幾十μm，通常采用激光加熱基座法生長(zhǎng)。這種超細(xì)單晶光纖目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)與用于高平均功率激光系統(tǒng)的經(jīng)典光纖類似的纖芯/包層結(jié)構(gòu)。突破單晶熔體熔點(diǎn)對(duì)流形成的“毀損”芯-包層界面，實(shí)現(xiàn)芯和包層全區(qū)域大面積光學(xué)均勻性是難點(diǎn)。2）泵浦光波導(dǎo)空氣包層SCF，直徑400 μm～1 mm，生長(zhǎng)方式一般為微下拉法［11］。泵浦光在內(nèi)部全反射式傳輸，信號(hào)光則自由傳輸。SCF 的幾何結(jié)構(gòu)與激光傳輸形式在激光放大時(shí)具有優(yōu)勢(shì)［12］。相較于石英光纖激光器，單晶光纖激光器的損傷閾值高、熱導(dǎo)性能好以及較低的非線性效應(yīng)，能夠有效替代復(fù)雜結(jié)構(gòu)的晶體和陶瓷碟片激光器，YAG 單晶光纖的激光輸出功率是傳統(tǒng)石英光纖的50 倍［13］。圖1 為兩種單晶光纖概念的原理示意圖對(duì)比?？偠灾?，為了實(shí)現(xiàn)高功率強(qiáng)激光的穩(wěn)定發(fā)展，單晶光纖是繼碟片和玻璃光纖器件之后的首選材料，并且得到了廣泛研究。美國(guó)陸軍武器研究室于2015年就以激光單晶光纖為主題開展科研項(xiàng)目研究，奠定其在定向能激光武器領(lǐng)域的科研價(jià)值及意義［10］。法國(guó)Fibercryst 公司與國(guó)家科學(xué)研究院光學(xué)研究所在2016年聯(lián)合開發(fā)了基于單晶光纖的高功率超短脈沖放大器，打開了微加工工業(yè)領(lǐng)域的市場(chǎng)［14］。國(guó)內(nèi)基于單晶光纖的研究起步較晚，但在國(guó)內(nèi)各高校和研究所的不斷發(fā)展下，已經(jīng)得到了快速發(fā)展并形成研究特色。尤其是山東大學(xué)、浙江大學(xué)、江蘇師范大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中科院上海硅酸鹽研究所等單位在單晶光纖的制備、基于單晶光纖的高溫傳感器和LED 光源以及放大器等方面進(jìn)展迅速［15-17］。

圖1 兩種單晶光纖的激光原理示意圖［11］Fig.1 Schematic diagram of laser principle of two kinds of single crystal fiber［11］

20 世紀(jì)20年代，CZOCHRALSKI J 等通過提拉法首次制備出金屬單晶光纖［18］，自此掀起了單晶光纖研制的熱潮。直到20 世紀(jì)80年代，F(xiàn)EJER M 等首次采用激光加熱基座法拉制單晶光纖，在激光加熱浮區(qū)設(shè)備中引入反射錐面鏡對(duì)（Reflaxicon）元件，使得激光光源調(diào)制成圓形加熱環(huán)，奠定了激光加熱基座法晶體生長(zhǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)［19，20］；1993年，YOON D H 等發(fā)明了微下拉法晶體生長(zhǎng)技術(shù)［21，22］，并且不斷擴(kuò)展至其他材料體系，單晶光纖的發(fā)展迎來了春天。目前，微下拉法和激光加熱基座法仍然是最重要的兩種單晶光纖制備技術(shù)。另外，導(dǎo)模法由于具有高通量制備、截面形狀可控的優(yōu)勢(shì)，也持續(xù)得到了發(fā)展。

1.1 激光加熱基座法

激光加熱基座法（Laser Heated Pedestal Growth，LHPG）技術(shù)是一種小型的浮區(qū)法（Float-Zone，F(xiàn)Z），將環(huán)形CO2激光光源聚焦在原料棒的頂端形成微熔區(qū)，然后將籽晶引入熔體并向上牽引進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。此技術(shù)可以保持生長(zhǎng)的晶體具有較大的長(zhǎng)徑比。由于生長(zhǎng)過程無需使用坩堝，因此其光纖直徑不受坩堝及微孔尺寸的限制，僅與原料尺寸和拉送比有關(guān)，最小直徑可達(dá)10 μm 量級(jí)?？梢詼p少坩堝揮發(fā)氧化和相互作用導(dǎo)致的生長(zhǎng)難題［23］。圖2 為L(zhǎng)HPG 法的裝置示意圖。

圖2 LHPG 法示意圖［13］Fig.2 Schematic diagram of LHPG method［13］

在單晶光纖制備領(lǐng)域，直徑100 μm 是一個(gè)分界線。直徑大于100 μm 的單晶光纖，并不具備典型的光纖結(jié)構(gòu)，并且外觀仍然保持體塊材料的特點(diǎn)，然而直徑達(dá)到10 μm 量級(jí)的單晶光纖兼具了晶體與光纖的優(yōu)點(diǎn)，將達(dá)到理論輸出極限。由于微下拉法和導(dǎo)模法都要采用坩堝，并且微米級(jí)的孔道，其生長(zhǎng)加工較難，因此多采用LHPG 法制備超細(xì)單晶光纖。

LHPG 法憑借上下拉速差生長(zhǎng)不同直徑的單晶光纖，并且生長(zhǎng)過程無需采用坩堝，因此理論上更易生長(zhǎng)10 μm 量級(jí)的超細(xì)SCF，但還需解決很多技術(shù)問題。其熱源為CO2激光，商業(yè)化的CO2激光器功率波動(dòng)約為5%，功率波動(dòng)影響著超細(xì)單晶光纖生長(zhǎng)界面的穩(wěn)定，較大的功率波動(dòng)會(huì)影響生長(zhǎng)晶體的連續(xù)性及直徑偏差。目前，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室（Naval Research Laboratory，NRL）和羅格斯（Rutgers）大學(xué)兩家研究機(jī)構(gòu)增添了功率穩(wěn)定系統(tǒng)，控制CO2光源的功率波動(dòng)小于0.5%，有效保持其生長(zhǎng)界面的穩(wěn)定；通過增添直徑實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)直徑變化并組成反饋系統(tǒng)來調(diào)節(jié)功率，最終實(shí)現(xiàn)光纖的直徑偏差小于1%［24，25］，如圖3 所示。

圖3 激光加熱基座直徑反饋系統(tǒng)［24］Fig.3 Diameter control feedback system of laser heated pedestal［24］

LHPG 法生長(zhǎng)晶體時(shí)，由單晶或者陶瓷構(gòu)成的原料棒（簡(jiǎn)稱“料棒”）不斷向上饋送，彌補(bǔ)結(jié)晶原料。假設(shè)料棒為方形晶體，忽略熔體揮發(fā)，其橫截面邊長(zhǎng)Ds、單晶光纖直徑Dc、料棒饋送速率Vs與單晶光纖提拉速度Vc的關(guān)系式為

一般單晶光纖的直徑為料棒尺寸的1/2～1/3，可以保證晶體平穩(wěn)生長(zhǎng)。為實(shí)現(xiàn)更小直徑的SCF，可將生長(zhǎng)得到的單晶光纖作為料棒，再進(jìn)行二次至多次LHPG 生長(zhǎng)，不斷縮小其尺寸。此時(shí)的料棒為圓柱形，式（1）中的關(guān)系變?yōu)?/p>

目前，羅特斯大學(xué)（Rutgers University）［26］、美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（US Army Research Laboratory）［27］、美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（US NRL）［28］等研究機(jī)構(gòu)也都對(duì)LHPG 技術(shù)生長(zhǎng)單晶光纖展開研究并且制備的YAG 單晶光纖，直徑均小于100 μm。其中，US NRL 可穩(wěn)定生長(zhǎng)YAG 單晶光纖的直徑在40 μm 以下，如圖4 所示。該單晶光纖有一定的韌性，彎曲半徑可達(dá)4 mm，通過將直徑100 μm 的光纖為源棒進(jìn)行二次生長(zhǎng)，制備出了直徑17 μm 的Yb：YAG 單晶光纖［29］，體現(xiàn)了LHPG 技術(shù)生長(zhǎng)超細(xì)單晶光纖的顯著優(yōu)勢(shì)。

圖4 NRL 研究機(jī)構(gòu)生長(zhǎng)的單晶光纖［28］Fig.4 Single crystal fiber grown at NRL research institute［28］

國(guó)內(nèi)研究單位中，山東大學(xué)是率先展開單晶光纖生長(zhǎng)的高校機(jī)構(gòu)之一，并且自主研發(fā)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)微下拉生長(zhǎng)爐，并且購(gòu)買了商業(yè)化激光加熱基座生長(zhǎng)爐，如圖5 所示。

圖5 山東大學(xué)單晶光纖生長(zhǎng)設(shè)備Fig.5 Single crystal fiber growing equipments of Shandong University

1.2 微下拉法

微下拉法（Micro-Pulling-Down，μ-PD）的技術(shù)特點(diǎn)是通過電阻加熱或射頻加熱熔體，熔體在微重力與坩堝底部微通道的毛細(xì)作用下與籽晶接觸并下拉成晶，該方法被認(rèn)為是導(dǎo)模法的一種變體，這兩種方法可以通過控制坩堝或模具的形狀來實(shí)現(xiàn)多晶生長(zhǎng)并產(chǎn)生具有特定形狀的單晶［30］。由于其下拉生長(zhǎng)系統(tǒng)，μ-PD 方法具有較大的有效偏析系數(shù)，并且在熔體中形成的任何氣泡都容易去除，這有利于獲得具有高摻雜濃度和較少缺陷的單晶光纖。此外，與導(dǎo)模法（Edge-defined Film-fed Growth，EFG）相比，連續(xù)進(jìn)料也適用于μ-PD，因?yàn)樗哂凶杂扇垠w表面，可以利用重力作為驅(qū)動(dòng)力供給送料，并且可以生長(zhǎng)長(zhǎng)度達(dá)1 m，直徑0.4到1 mm 的單晶光纖。另外，有部分單位報(bào)道過采用μ-PD 法生長(zhǎng)直徑小于100 μm 的光纖。μ-PD 法生長(zhǎng)示意圖如圖6 所示。操作步驟為：首先，將籽晶安裝在連接桿的裝置上固定并調(diào)整居中。接著，在外層套入一層石英護(hù)套，稱取生長(zhǎng)原料放置于坩堝中，選用相匹配的后熱器用以觀察坩堝口，調(diào)節(jié)籽晶桿與坩堝口對(duì)中，然后依次按順序放置氧化鋁保溫筒、保溫蓋板、最后封爐。通過分子泵抽氣系統(tǒng)抽到最大真空后通入氮?dú)饣蚱渌Ｗo(hù)氣體，避免貴金屬坩堝氧化。待原料熔化過程完成后，將籽晶種緩慢地接觸坩堝底部，進(jìn)行單晶光纖的生長(zhǎng)。

圖6 微下拉法生長(zhǎng)示意圖Fig.6 Growth diagram of μ-PD method

目前采用微下拉法可以生長(zhǎng)各種晶體，下面列舉部分可生長(zhǎng)單晶，如石榴石、倍半氧化物、藍(lán)寶石、氟化物、各種硅酸鹽化合物、閃爍晶體、非線性晶體和比較少見的有機(jī)晶體。如表1 所示。

表1 可用微下拉法制備的晶體Table 1 Crystals prepared by μ-PD

由于μ-PD 法適用于較多材料體系，因此得到廣泛推廣。日本東北大學(xué)和法國(guó)里昂第一大學(xué)（Claude Bernard Lyon 1 University）采用μ-PD 法生長(zhǎng)了高長(zhǎng)徑比氧化物單晶光纖以及其他稀土摻雜YAG［31］、Lu AG［32-33］單晶光纖。此外，意大利比薩大學(xué)（Pisa University）、巴西圣保羅核能研究所（Instituto de Pesquisas Energeticas′e Nucleares，IPEN）和日本東北大學(xué)制備了LiYF4［39，45］、LiLuF4［38，46-47］單晶光纖。山東大學(xué)于2014年在國(guó)內(nèi)首先報(bào)道了μ-PD 法單晶光纖生長(zhǎng)設(shè)備的研制［48］，并針對(duì)氧化物單晶光纖的制備與性能展開研究。隨后，江蘇師范大學(xué)、中國(guó)電子科技集團(tuán)重慶26 所等單位也開展了μ-PD 法晶體生長(zhǎng)的研究［49-50］。眾多的晶體實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了微下拉法在單晶光纖生長(zhǎng)領(lǐng)域具有很大發(fā)展?jié)摿?，?guó)內(nèi)外科研單位采用μ-PD 法制備的SCF 如圖7 所示。

圖7 微下拉法所生長(zhǎng)的各種晶體Fig.7 Various crystals grown by μ-PD method

1.3 導(dǎo)模法

從晶體成核角度來看，導(dǎo)模法與提拉法（Czochralski，CZ）比較相似，都是向上提拉，但不同的是前者在生長(zhǎng)單晶光纖時(shí)使用了模具。方法就是把模具的一部分插入熔體中，熔體在模具的毛細(xì)作用下被引至上表面，然后在籽晶向上緩慢提拉下實(shí)現(xiàn)單晶光纖生長(zhǎng)。導(dǎo)模法的優(yōu)勢(shì)之一就是高效，通過設(shè)計(jì)合適的模具，可以實(shí)現(xiàn)多根單晶光纖的同時(shí)定向生長(zhǎng)。如圖8 所示，利用導(dǎo)模法生長(zhǎng)單晶光纖，可以看出固-液界面位置在整個(gè)單晶生長(zhǎng)過程中保持恒定，這將利于單晶光纖的高質(zhì)量生長(zhǎng)。

圖8 導(dǎo)模法示意圖［51］Fig.8 Schematic diagram of EFG method［51］

近年來，KURLOV V N 等［51］對(duì)導(dǎo)模法進(jìn)行了改良，他們提出利用稱重傳感器來優(yōu)化拉制光纖的設(shè)備，這樣有利于控制直徑大小，從而提高直徑均勻性，降低表面粗糙度。采用該技術(shù)生長(zhǎng)直徑超細(xì)單晶光纖時(shí)，最重要的就是模具的設(shè)計(jì)與加工質(zhì)量，這決定了單晶光纖的最終光學(xué)質(zhì)量。這是因?yàn)樵谏L(zhǎng)過程中，生長(zhǎng)的光纖直徑越細(xì)，坩堝內(nèi)的殘?jiān)⑽畚锏?，流入單晶光纖內(nèi)的概率就越大。另外，利用導(dǎo)模法生長(zhǎng)單晶光纖，可以發(fā)現(xiàn)單晶光纖內(nèi)部在生長(zhǎng)過程中有一定幾率出現(xiàn)氣泡、雜質(zhì)等各種缺陷。目前使用EFG 技術(shù)所生產(chǎn)的單晶光纖，大部分集中在用于高溫傳感器與成像的藍(lán)寶石單晶光纖，其中俄羅斯Kurlov 晶體材料研究團(tuán)隊(duì)［51］與同濟(jì)大學(xué)晶體材料課題組［52］主要集中研究藍(lán)寶石SCF。藍(lán)寶石光纖具有較寬的透過波段、較高的損傷閾值，能夠有效傳導(dǎo)～3 μm 中紅外激光，可以廣泛應(yīng)用于激光醫(yī)療領(lǐng)域；此外，其熱穩(wěn)定性高，可用于高溫傳感器。EFG 技術(shù)原理如圖8（a）所示，圖8（b）為采用EFG 法制備的100 根直徑150～300 μm 的藍(lán)寶石SCF。

1.4 單晶光纖的包層研究

目前，激光單晶光纖通常通過微下拉法（μ-PD）和激光加熱基座法（LHPG）制備。前者生長(zhǎng)的單晶光纖，泵浦光可以在其內(nèi)形成光波導(dǎo)，在單晶光纖兩端加反射腔鏡，可以實(shí)現(xiàn)激光振蕩輸出。目前生長(zhǎng)工藝比較成熟，可以穩(wěn)定生長(zhǎng)直徑0.3～1 mm，有效長(zhǎng)度大于500 mm 的單晶光纖；另外一種技術(shù)所制備的單晶光纖一般作為包層單晶光纖的纖芯，包層可直接制備，也可通過后加工處理來獲得。由于包層光纖具有更高的抗損傷性與更優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性，并且被認(rèn)為可實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出，這也使得研究包層生長(zhǎng)技術(shù)與研究高質(zhì)量單晶纖芯生長(zhǎng)具有同等重要的地位。包層制備方法多種多樣：主要有共拉伸激光加熱基座法（Codrawing Laser-heated Pedestal Growth，CDLHPG）、溶膠-凝膠法、液相外延法（Liquid Phase Epitaxial，LPE）等。

2008年，HUANG K Y 等采用共拉伸激光加熱基座法成功制備Cr4+：YAG 包層單晶光纖［53］。如圖9 所示，制備方法是將一定直徑的單晶光纖插入玻璃毛細(xì)管內(nèi)形成套管，然后使用CO2激光加熱外層的玻璃毛細(xì)管，加熱溫度超過了玻璃的軟化溫度但低于單晶光纖熔點(diǎn)，這樣玻璃毛細(xì)管在加熱的作用下軟化，然后緊密的貼合在單晶纖芯表面，最后把套管于單晶光纖整體向上實(shí)現(xiàn)共拉伸生長(zhǎng)。使用此種方法有兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1）CDLHPG 技術(shù)所用包層材料多為玻璃材料，目前玻璃材料種類豐富多樣，且折射率調(diào)節(jié)范圍較大，可為單晶光纖的包層提供多種選擇；2）CDLHPG 技術(shù)制備單晶光纖包層比較高效，生長(zhǎng)周期短。

圖9 CDLHPG 系統(tǒng)原理圖［53］Fig.9 Schematic diagram of CDLHPG system［53］

但是由于玻璃與單晶光纖的熱膨脹系數(shù)相差較大，在高功率激光輸出過程中極易導(dǎo)致包層與纖芯接觸界面脫離，并且如果折射率差特別大時(shí)，還可能引起激光多模傳輸，造成激光光束質(zhì)量下降。因此，研究者近年來采用其他包層制備方法在已經(jīng)生長(zhǎng)好的單晶光纖表面涂覆多晶或單晶包層，以此獲得良好的熱膨脹匹配度并且提高單晶光纖的散熱能力。

2014年，LAI C C 等［54］利用LHPG 制備了40 μm 的Ti：Al2O3單晶光纖并采用溶膠-凝膠法制備了相應(yīng)的包層。第一步，將納米氧化鋁粉末等原料按比例混合。然后，將制備好的混合漿料均勻浸涂在Ti：Al2O3單晶光纖的表面上。干燥后放入燒結(jié)爐中，在1 650℃下燒結(jié)2 h。圖10（a）為溶膠-凝膠法示意圖，最終得到的致密氧化鋁陶瓷包層截面如圖10（b）和（c）。浸漬速度和入射角影響固液界面的形狀，從而改變陶瓷包層的厚度。較高的浸漬速度和較大的入射角可提供較厚的包層，但由于表面張力不平衡，會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，降低致密性。垂直浸漬被認(rèn)為是控制界面粘合性能和實(shí)現(xiàn)無孔多晶熔覆的最佳方法，其他浸漬方向得到的包層總是會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。圖10（c）中，外層是由致密的氧化鋁顆粒組成的陶瓷層。細(xì)長(zhǎng)晶粒的發(fā)展，稱為異常晶粒生長(zhǎng)（Abnormal Grain Growth，AGG），通常與大量液相和雜質(zhì)偏析的存在有關(guān)。內(nèi)層是在Ti：Al2O3單晶光纖的影響下形成的均勻的Al2O3晶體層。

圖10 Ti：Al2O3單晶光纖［54］Fig.10 Ti：Al2O3 single crystal fiber［54］

2018年，美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室的研究人員［27］開發(fā)了帶包層的柔性可彎曲“C4”（crystalline-core/crystallinecladding，C4）Yb：YAG 單晶光纖。首先利用LHPG 生長(zhǎng)直徑在30 到100 μm 之間的摻雜單晶，通過液相外延法生長(zhǎng)單晶包層，生長(zhǎng)了厚度在1 到150 μm 之間的未摻雜YAG 包層。圖11（a）是制備包層所開發(fā)的先進(jìn)LPE 晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)的配置，該系統(tǒng)主要組件包括：1）加熱爐，2）Pt 坩堝，3）穩(wěn)定裝置和提拉裝置。在包層生長(zhǎng)過程中，單晶纖芯浸入熔融助溶劑中。助熔劑的組成和生長(zhǎng)溫度取決于要生長(zhǎng)的包層材料。實(shí)驗(yàn)時(shí)為了生長(zhǎng)未摻雜的YAG 晶體包層，在助熔劑中添加氧化釔（Y2O3）和氧化鋁（Al2O3）粉末，包層生長(zhǎng)溫度保持在900 和1 150℃之間。如圖11（c）所示，光纖纖芯和包層都呈現(xiàn)出清晰的六邊形橫截面?！癈4”型單晶包層光纖的內(nèi)部纖芯為1 at.%的Yb3+：YAG 單晶光纖，外部包層為純YAG 晶體，其光學(xué)透射圖像和橫截面反射圖像如圖11（b）和11（c）所示。此外，由于1% at.Yb：YAG 單晶纖芯的折射率比純YAG 包層的折射率高約1.6×10-4，因此在圖11（b）中可以清楚看出纖芯區(qū)域的亮度比包層區(qū)域更高。

圖11 帶包層柔性可彎曲“C4”Yb：YAG 單晶光纖［27］Fig.11 Cladding flexible "C4"Yb：YAG single crystal fiber［27］

2018年美國(guó)NRL 的工作人員報(bào)道了使用磁控濺射法制備YAG 包層［55］。使用射頻磁控濺射從多個(gè)高純度YAG 靶材上生長(zhǎng)單晶包層，在這個(gè)過程中通入氬氣與氧氣的混合氣體，來提高沉積速率和包層均勻性。整個(gè)過程持續(xù)了數(shù)百小時(shí)，得到的包層是均勻的，厚度為20～30 μm。如圖12（b）所示，當(dāng)濺射包層光纖用He-Ne 激光照射時(shí)，光纖沒有可見的散射發(fā)射。

圖12 磁控濺射法包層制備［55］Fig.12 Preparation of claddings by magnetron sputtering［55］

單晶包層制備方法多種多樣，結(jié)晶態(tài)包層通常采用與纖芯相同的基質(zhì)，包層與纖芯的熱學(xué)、力學(xué)性能一致，折射率差異小，有利于實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)傳輸，這類“單晶纖芯/單晶包層”結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為C4 單晶光纖。制備C4 單晶光纖的晶體生長(zhǎng)技術(shù)中，以LPE 法最具代表性。LPE 技術(shù)的設(shè)備基本構(gòu)造與助溶劑提拉法相近，但能采用更高的速度旋轉(zhuǎn)籽晶桿。此外，由于采用了助溶劑，液相外延的生長(zhǎng)溫度通常遠(yuǎn)低于材料熔點(diǎn)。溶膠-凝膠法，液相外延法（LPE）與磁控濺射法制備出的單晶光纖包層屬于多晶和單晶包層，相較于共拉伸加熱基座法（CDLHPG）使用的玻璃材料，可以有效避免使用玻璃材質(zhì)的一些缺點(diǎn)，但這些后處理方法也面臨著制作周期長(zhǎng)、難達(dá)到涂覆均勻等問題。CDLHPG 法在纖芯包層制備過程中均經(jīng)過一次“熔化-結(jié)晶”過程，有利于實(shí)現(xiàn)纖芯與包層的緊密結(jié)合，但纖芯及包層的直徑均勻性也由于這一間接控制的“熔化-結(jié)晶”過程而難以得到保證。通過調(diào)節(jié)包層材料與內(nèi)部晶體材料的折射率差值能夠?qū)崿F(xiàn)全反射，進(jìn)而提高激光的輸出效率。目前應(yīng)用最多的包層材料為特種玻璃，其優(yōu)勢(shì)在于折射率調(diào)節(jié)范圍較大，可滿足多種材料的需求。雖然可以高效的制備單晶包層，但多用于玻璃包層的制備，而由于玻璃材料與晶體材料的物化性能差異，想要實(shí)現(xiàn)與純玻璃光纖相同的高功率激光輸出目前還難以實(shí)現(xiàn)。如果單晶光纖包層制備關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破，采用具有包層結(jié)構(gòu)的小直徑單晶光纖有望實(shí)現(xiàn)更高效率和功率的激光輸出。

2 單晶光纖超短脈沖放大技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 單晶光纖的發(fā)射、吸收譜特性

Yb：YAG 單晶光纖在超短脈沖放大領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景，其晶體特性與Yb：YAG 晶體相同。Yb：YAG 單晶光纖吸收譜帶寬，從圖13 可以看出，Yb：YAG 的吸收譜主要有兩個(gè)吸收峰，分別為940 nm 和969 nm，同時(shí)，可以看出在940 nm 的吸收峰處其吸收帶寬大，對(duì)泵浦源的中心波長(zhǎng)飄移不是很敏感，因此目前超快放大系統(tǒng)主要采用940 nm 的LD 進(jìn)行泵浦。而且可以發(fā)現(xiàn)，溫度越低，其吸收截面和發(fā)射截面越大，因此低溫Yb：YAG 也成為了一個(gè)重要的高功率放大方式。969 nm 處的吸收峰，吸收譜寬窄，但是吸收波長(zhǎng)（969 nm）與發(fā)射波長(zhǎng)（1 030 nm）近，量子虧損小，產(chǎn)熱少。目前隨著體布拉格穩(wěn)頻技術(shù)在半導(dǎo)體泵浦源中的應(yīng)用，鎖波長(zhǎng)的窄線寬969 nm LD 已經(jīng)成熟，因此在高功率泵浦的情況下，969 nm LD 也逐漸引起了科研人員的重視［56］。

圖13 Yb：YAG 晶體的吸收譜和發(fā)射譜［57］Fig.13 The absorption spectrum and emission spectrum of Yb：YAG crystal［57］

2.2 Yb：YAG 單晶光纖超短脈沖放大技術(shù)主要進(jìn)展

基于SCF 的超短脈沖放大技術(shù)在高功率、高能量超快放大方面取得了一定的進(jìn)展。2011年，ZAOUTER Y 等［58］基于Yb：YAG 單晶光纖，采用雙通放大結(jié)構(gòu)對(duì)飛秒振蕩器輸出的400 MW，30 MHz，230 fs 的超短脈沖進(jìn)行了直接放大，主要的放大結(jié)構(gòu)如圖14 所示，雙通放大結(jié)構(gòu)利用法拉第反射鏡構(gòu)成，由于放大過程中光學(xué)器件本身引入了色散，直接放大輸出的脈沖寬度達(dá)到700 fs，放大后采用了GTI 鏡進(jìn)行進(jìn)一步的色散補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了12 W，330 fs 的超快激光輸出。

圖14 雙通結(jié)構(gòu)的單晶光纖飛秒直接放大結(jié)構(gòu)圖［58］Fig.14 Direct Femtosecond amplification structure of double-pass single crystal fiber［58］

2012年，DéLEN X 等［59］重點(diǎn)研究了單晶光纖的高功率輸出能力，采用一個(gè)40 mm 長(zhǎng)，直徑1 mm，摻雜濃度為1%的Yb：YAG 單晶光纖作為增益介質(zhì)，600 W 的940 nm LD 作為泵浦源進(jìn)行端面泵浦，以及一對(duì)曲率半徑分別為50 mm 的腔鏡和100 mm 的輸出耦合鏡，輸出了251 W 的連續(xù)激光，光光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)44%，驗(yàn)證了單晶光纖百瓦級(jí)高功率放大輸出的潛力，其結(jié)構(gòu)如圖15。

圖15 基于Yb：YAG 單晶光纖的高功率振蕩器結(jié)構(gòu)圖［59］Fig.15 The structure of high power oscillator based on Yb：YAG single crystal fiber［59］

直接放大的飛秒激光器的能量都比較低，百微焦以上的高功率大能量飛秒直接放大輸出，需要考慮單晶光纖中的非線性效應(yīng)以及晶體自身的端面損傷問題，單晶光纖放大器應(yīng)用到CPA 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高能超短脈沖放大輸出。2013年，DéLEN X 等［60］采用直徑1 mm，長(zhǎng)度40 mm，摻雜1%@at.的單晶光纖，利用CPA技術(shù)以及SCF 雙通放大的結(jié)構(gòu)，采用重頻10 kHz，150 μJ 的高能種子源，最終獲得了1 mJ，380 fs，10 W 的超快激光輸出，主要的放大結(jié)構(gòu)如圖16 所示，其放大結(jié)果證實(shí)了基于SCF 實(shí)現(xiàn)高能飛秒脈沖放大的能力。

圖16 單晶光纖雙通放大啁啾脈沖放大系統(tǒng)［60］Fig.16 Double pass chirped pulse amplification system of single crystal fiber［60］

但是，隨著峰值功率的進(jìn)一步增大，單晶光纖的自聚焦效應(yīng)以及單晶端面的鍍膜很容易造成晶體的損傷。因此，為了進(jìn)一步增加超短脈沖激光的能量輸出，相干合束技術(shù)是一個(gè)非常有效的技術(shù)手段。德國(guó)耶拿大學(xué)的KIENEL M 等［61］采用基于光纖CPA 的預(yù)放大器，最大輸出能量600 μJ@6 kHz，脈沖展寬達(dá)到2 ns的1 030 nm 作為信號(hào)，通過偏振分光，獲得兩路信號(hào)分別注入兩路的單晶光纖進(jìn)行雙通放大，晶體直徑1 mm，長(zhǎng)度40 mm，摻雜濃度1%，兩路SCF 獨(dú)立雙通放大后進(jìn)行相干合束，其中一路采用壓電陶瓷控制光程差保證高效率的相干合束，整體合束效率達(dá)到94%。合束后進(jìn)入光柵壓縮器壓縮，壓縮后獲得了脈沖能量3 mJ，脈寬695 fs，峰值功率3.7 GW，相干合束的放大結(jié)構(gòu)如圖17 所示。相干合束技術(shù)為進(jìn)一步提升單晶光纖放大器的輸出能量提供一種新的技術(shù)思路。

圖17 采用兩路單晶光纖相干合束的高能超短脈沖放大系統(tǒng)［61］Fig.17 High energy ultra-short pulse amplification system by coherent beam combination of two single crystal fibers［61］

在基于單晶光纖的高功率輸出方向，科研人員也進(jìn)行了突破。LESPARRE F 等［62］利用兩級(jí)的雙通單晶光纖放大結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)一級(jí)的單通放大結(jié)構(gòu)，通過直接飛秒放大，輸出了86 W，738 fs，20 MHz 的高功率超快激光，如圖18 所示。MARKOVIC V 等［63］利用一個(gè)重復(fù)頻率83.4 MHz，平均功率2.8 W 的鎖模種子源作為信號(hào)注入，利用一級(jí)的雙通單晶光纖放大器和一級(jí)的單通單晶光纖放大器直接進(jìn)行飛秒放大，實(shí)現(xiàn)了160 W，800 fs，83.4 MHz 的飛秒激光輸出。

圖18 基于單晶光纖的高功率直接飛秒放大系統(tǒng)［62］Fig.18 Direct high power femtosecond amplification system based on single crystal fiber［62］

2022年，北京工業(yè)大學(xué)王璞課題組采用基于摻鐿光纖和Yb：YAG 細(xì)棒的混合CPA 激光系統(tǒng)。如圖19所示，該激光系統(tǒng)在室溫下使用Yb：YAG 細(xì)棒，無需泵浦引導(dǎo)，即可產(chǎn)生高達(dá)100 W 以上的放大輸出功率［64］。將輸出功率為7 W，重復(fù)頻率為1 MHz 的摻Y(jié)b 全光纖激光器由單晶光纖和Yb：YAG 細(xì)棒組成的簡(jiǎn)單、緊湊的兩級(jí)放大器，其輸出功率放大到126.2 W，這是室溫下在無泵浦導(dǎo)向的情況下基于Yb：YAG 細(xì)棒放大激光器獲得的的最高輸出功率。利用薄膜偏振器（Thin Film Polarizers，TFP）去除熱退偏后，得到了平均功率為115.2 W 的線偏振超短脈沖激光輸出。脈沖壓縮后的輸出功率為80.6 W，脈寬為580 fs。中心脈沖占脈沖總能量的84.1%，脈沖峰值功率為116.9 MW。

圖19 單晶光纖（SCF）和Yb：YAG 細(xì)棒組成的兩級(jí)放大系統(tǒng)結(jié)果［64］Fig.19 Schematic of hybrid single crystal fiber and Yb：YAG thin-rod two-stage amplification system［64］

2022年，山東大學(xué)劉兆軍、趙智剛課題組［65］采用光纖預(yù)放大器作為注入源，在1 MHz 重復(fù)頻率下，注入信號(hào)4.5 W 的情況下，采用了三級(jí)級(jí)聯(lián)的單晶光纖放大器，獲得了最大240 W 的放大輸出，最后一級(jí)采用969 nm 和940 nm 的兩個(gè)高亮度半導(dǎo)體激光器合束泵浦，獲得了～51%的功率提取效率，其水平和垂直方向上的光束質(zhì)量分別為1.72 和1.12，如圖20 所示。同時(shí)，初步采用80 W 的信號(hào)注入體光柵壓縮器進(jìn)行了壓縮，獲得了平均功率66.5 W，脈寬744 fs 的超快激光。

圖20 基于三級(jí)單晶光纖的高功率超短脈沖放大系統(tǒng)［65］Fig.20 High power ultra-short pulse amplification system based on three-stage single crystal fiber［65］

本課題組在單晶光纖放大方面，主要瞄準(zhǔn)高通量阿秒驅(qū)動(dòng)源以及高功率大能量超快激光加工用飛秒光源，研究的主要重復(fù)頻率范圍為100 kHz～1 MHz 范圍，采用全光纖系統(tǒng)前端和單晶光纖主放大器組合，實(shí)現(xiàn)輸出功率數(shù)十瓦到百瓦的高功率、高光束質(zhì)量超短脈沖輸出。2017年，采用25/250 雙包層光纖，在200 kHz 的重頻下，輸出1.4 W 的展寬啁啾脈沖，注入到兩級(jí)的級(jí)聯(lián)雙通SCF 放大器，實(shí)現(xiàn)了功率44 W 的放大輸出，但是光斑圓度欠佳，第二級(jí)采用單通放大，輸出了34 W 的高光束質(zhì)量脈沖激光，測(cè)試得到水平方向和垂直方向的光束質(zhì)量分別為1.241 和1.220，壓縮后脈沖寬度達(dá)到715 fs［66］，如圖21 所示。

圖21 基于兩級(jí)級(jí)聯(lián)的單晶光纖放大系統(tǒng)［66］Fig.21 Single-crystal fiber amplification system based on two cascades［66］

2020年，本課題組對(duì)全光纖預(yù)放大系統(tǒng)進(jìn)行非線性優(yōu)化，采用大模場(chǎng)的35/250 雙包層增益光纖作為預(yù)放大系統(tǒng)，在非線性脈沖畸變可控的前提下，獲得了200 kHz 下～7 W 的放大輸出，通過兩級(jí)的簡(jiǎn)單的單通級(jí)聯(lián)放大，獲得了52.2 W 的高光束質(zhì)量放大輸出，光束質(zhì)量?jī)?yōu)于1.3，并通過啁啾體布拉格光柵（Chirped-Volume Bragg Grating，CVBG）壓縮器進(jìn)行壓縮，獲得了31.4 W，740 fs 的壓縮脈沖輸出，并驗(yàn)證了在100 kHz 下的高能量輸出能力，壓縮后獲得了平均功率28.4 W 的脈沖輸出，其單脈沖能量為284 μJ［67］。同年，本課題組采用全光纖激光器作為種子源，首先采用3 mm Yb：YAG 棒雙通放大作為第一級(jí)放大，然后級(jí)聯(lián)兩級(jí)的單晶光纖放大器單通放大，重頻200 kHz 下實(shí)現(xiàn)功率96 W 的脈沖輸出，單脈沖能量0.48 mJ，在92 W 的放大輸出條件下，測(cè)試M2小于1.55，通過體啁啾布拉格光柵進(jìn)行壓縮，獲得67.8 W 的脈沖輸出，由于體光柵色散和全光纖預(yù)放大部分的失配，獲得的脈沖寬度為2.5 ps［68］，如圖22 所示。

圖22 高能啁啾脈沖放大系統(tǒng)原理圖［68］Fig.22 The schematic diagram of high energy chirped pulse amplification system［68］

為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)的非線性積累，本課題組在光纖預(yù)放大器部分采用了高增益、低非線性的硅酸鹽玻璃光纖放大器作為預(yù)放大器最后一級(jí)的功率提升，由于該放大器增益介質(zhì)通過重?fù)诫s實(shí)現(xiàn)了在很短的增益光纖長(zhǎng)度上（～20 cm）高增益的放大輸出，因而放大器積累的非線性小，有利于提高注入SCF 的信號(hào)功率，實(shí)現(xiàn)大信號(hào)注入，簡(jiǎn)化后級(jí)放大結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更加易于集成的高功率飛秒輸出。采用石英玻璃光纖-單晶光纖放大器組成的高功率啁啾脈沖放大系統(tǒng)，在1 MHz，注入功率為400 mW 時(shí)，硅酸鹽放大器獲得了92 W以上的放大功率，對(duì)應(yīng)的放大增益高達(dá)23.6 dB。級(jí)聯(lián)一級(jí)的單通結(jié)構(gòu)的單晶光纖放大，在1 MHz 的重復(fù)頻率下獲得了122 W 的放大功率輸出，對(duì)應(yīng)的脈沖能量為122 μJ。放大后，激光脈沖被CVBG 壓縮。為了提高壓縮效率，通過在光纖放大器中設(shè)置一個(gè)通帶為5 nm 的光纖濾波器來匹配CVBG 壓縮器的反射帶寬，實(shí)現(xiàn)了總的壓縮效率大于73%。另外，為了實(shí)現(xiàn)啁啾光纖光柵展寬器與壓縮器色散的精確匹配，利用自制的溫度調(diào)諧啁啾光纖光柵裝置實(shí)現(xiàn)了啁啾光纖光柵展寬器與壓縮器色散的精確匹配，在壓縮輸出功率為90 W的情況下，脈沖寬度優(yōu)化到660 fs［69］，如圖23 所示。

圖23 基于石英玻璃光纖-單晶光纖放大器組成的混合式高功率啁啾脈沖放大系統(tǒng)［69］Fig.23 Hybrid high power chirped pulse amplification system based on silicate glass fiber-single crystal fiber amplifier［69］

基于單晶光纖的放大器在超快激光放大領(lǐng)域極具科研及工業(yè)微加工價(jià)值，是獲得高功率大能量飛秒激光的有效技術(shù)路線。相比于光纖放大器，單晶光纖放大器的非線性積累更小，更有利于能量的提升，同時(shí)，其放大結(jié)構(gòu)主要集中為單通雙通的行波放大結(jié)構(gòu)，相比板條、碟片等放大系統(tǒng)的高復(fù)雜性，單晶光纖具有更好的集成性和穩(wěn)定性。單晶光纖放大器其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以將多模泵浦光和自由空間傳播的信號(hào)光很好地匹配，可獲得優(yōu)于傳統(tǒng)晶體棒的更高的放大效率和更優(yōu)的光束質(zhì)量；優(yōu)良的熱管理性能也使該結(jié)構(gòu)能獲得百瓦級(jí)別的中高功率的超短脈沖輸出?；诠饫w-單晶光纖的混合超短脈沖放大技術(shù)能夠有效的結(jié)合光纖放大器的高增益以及晶體放大器的高峰值功率、高脈沖能量的優(yōu)勢(shì)，為了進(jìn)一步提高平均功率和脈沖能量，簡(jiǎn)單的時(shí)域展寬脈沖和擴(kuò)大光纖纖芯方案已經(jīng)不那么有效，通過采用相干合束等技術(shù)，光纖-單晶光纖的混合放大技術(shù)可以獲得簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定可靠的高功率、大能量超短脈沖激光輸出。單晶光纖作為一種新的增益介質(zhì)，能夠提供很高的脈沖能量，但是功率提取效率較低，光束質(zhì)量的保證需要通過精密的泵浦耦合和信號(hào)耦合保證。包層光纖具有更高的抗損傷性與更優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性，并且被認(rèn)為可實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出。與傳統(tǒng)玻璃光纖相似的帶包層的“C4”型單晶光纖，纖芯通常直徑為幾十微米，此類單晶光纖目前處于研究初期階段，所報(bào)道的激光功率與玻璃光纖依然有著較大的差距。采用包層結(jié)構(gòu)的晶體光纖可增大單晶光纖表面積和體積之比，提高包層的傳熱性能和光纖的熱管理能力，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離基模波導(dǎo)，最終實(shí)現(xiàn)更高效率和功率的激光輸出，這也是未來發(fā)展的重要方向。這種放大技術(shù)不僅可以直接用于工業(yè)應(yīng)用，還可以作為板條或碟片放大器的前級(jí)，大幅降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。利用單晶光纖的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開發(fā)能夠應(yīng)用于阿秒驅(qū)動(dòng)、超快激光微加工應(yīng)用領(lǐng)域的飛秒激光器具有重要的科研價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

3 結(jié)論

摻鐿光纖激光器由于其結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、易于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用，但是有限的模場(chǎng)面積使得放大過程中的非線性效應(yīng)限制了超短光纖脈沖放大系統(tǒng)的輸出能量。而板條、碟片等固體放大介質(zhì)，封裝難度大，放大結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不利于國(guó)產(chǎn)激光器的批量化生產(chǎn)。單晶光纖作為一種新型放大增益介質(zhì)，其放大結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，放大增益高，實(shí)現(xiàn)高功率輸出條件下仍然兼具高光束質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)，基于光纖-單晶光纖的混合超短脈沖放大技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光纖放大器的高增益以及晶體放大器的高峰值功率、高脈沖能量的優(yōu)勢(shì)結(jié)合。激光器輸出功率小于200 W 時(shí)能夠取代固體放大領(lǐng)域的激光器，并且可以為碟片等高功率放大器提供參數(shù)優(yōu)良、穩(wěn)定可靠且成本更低的放大前級(jí)。在未來的激光器發(fā)展中，用于泵浦源的合適波長(zhǎng)的光纖激光器的研發(fā)和光纖耦合激光二極管亮度的不斷優(yōu)化，能夠有效提升摻鐿單晶光纖的放大效率，實(shí)現(xiàn)在超快激光器領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。