本文作者周朴，黄良金，冷进勇，肖虎，许将明，姚天甫，国防科技大学前沿交叉学科学院，仅作交流学习之用，感谢分享！
1、引言光纤激光器是较早实现的激光器类型之一。激光器发明后的第二年（年），来自AmericaOptical公司的Snitzer就在掺钕玻璃波导中观察到了激光现象,不久后又实现了光纤激光放大。20世纪70年代，Bell实验室的Stone和Burrus成功实现了半导体激光泵浦的掺钕光纤激光器，取代了早期通常采用的闪灯泵浦的方法，大大提高了激光器的效率。20世纪80年代，Southampton大学的Payne研究团队在高倍率光纤激光放大（特别是掺铒光纤放大器）方面做出了大量开创性工作，有力推动了光纤通信技术的发展和大规模普及应用，包括互联网的快速发展。前述的光纤激光器采用的激光介质大都为单包层光纤（其详细定义将在后文给出），纤芯的几何尺寸相对较小，对泵浦激光的亮度有较高要求，高功率泵浦光受限于自身亮度，难以有效耦合到纤芯中，而当时的高亮度泵浦源输出功率也不高，因此光纤激光器一度被认为是一种输出功率较低的弱光光源，相关研究和应用大都集中在通信领域。年，当时就职于Polariod公司的Snitzer等人报道了一种双包层光纤，泵浦光可在这种光纤的内包层中传输，由于内包层的几何尺寸和数值孔径都相对较大，可以采用亮度相对较低但输出功率较高的半导体激光器作为泵浦，为提高光纤激光器的输出功率提供了全新的解决途径，改变了光纤激光器只是一种弱光光源的历史.自从双包层光纤诞生以来，光纤激光的输出功率以惊人的速度迅速提升，目前单纤单模光纤激光的输出功率已经达到万瓦级，合束后的光纤激光输出功率已达kW级光纤激光器具有结构紧凑、转换效率高、热管理方便、可柔性操作等特性，使其在先进制造、能源勘探、生物、国防等领域都得到了广泛应用，己成为高功率激光领域研究和应用的热点。预计到年，光纤激光器（不包括基于光纤激光的应用系统及其相关产业链）的年度市场销售额将达到26亿美元，占全部激光器市场的40%左右）。本文回顾双包层光纤诞生30年来高功率光纤激光发展史上的若干里程碑，通过按照时间序列依次呈现的重要成果勾勒出30年的发展历程。2、双包层光纤（年）双包层光纤的基本结构如图1（a）所示，由内而外依次是纤芯、内包层、外包层和涂覆层。纤芯、内包层和外包层的折射率依次降低.纤芯掺杂稀土元素（如镱、铉、铒和铥等），纤芯和内包层构成波导结构，是激光产生和传输的通道。内包层通常由纯SiO2构成，内包层和外包层构成的波导是泵浦光的传输通道。泵浦光在内包层中反复穿越纤芯，被掺杂离子吸收，从而将泵浦光高效地转换为激光。由于内包层的横向尺寸和数值孔径远大于纤芯，能够很方便地耦合进大量光束质量较差的高功率泵浦光。单包层光纤的基本结构如图1（b）所示，在这种结构中，泵浦光和激光使用相同的通道。与单包层光纤相比，在芯径几乎相同的情况下，双包层光纤能使可注入泵浦光的功率和激光输出的功率提升数个量级：如较为常见的单模掺杂光纤纤芯直径为10μm左右，由于单模半导体激光最大输出功率尚在百毫瓦量级，因此，半导体激光纤芯泵浦单模掺杂光纤输出激光功率一般在百毫瓦量级（这个结果至今仍成立）；与此同时，从芯径为10μm左右的双包层光纤中则可实现（数）百瓦功率输出，提升了3?4个量级。3、掺镱双包层光纤（年）双包层光纤公开报道以后，一段时间内大多数高功率光纤激光器都是基于掺钕光纤实现的。Southampton大学、Polariod公司和LaserZentrumHannover分别于、和年将双包层掺钕光纤激光器的输出功率提升至1W，5W和9.2W。由于泵浦波长（nm附近）和激光波长（nm附近）间隔较大，掺钕光纤激光器的光光转换效率相对较低，这就使得高功率输出时激光器的热负荷较大，从而限制了其功率提升能力。年，LaserZentrumHannover的研究人员将输出功率提升至30W。随后鲜有相关高功率双包层掺钕光纤激光器的报道，原因可能在于双包层掺镱光纤的出现和广泛使用。尽管早在年就有关于掺镱光纤激光的报道，但双包层掺镱光纤激光器直至年才由Southampton大学的Hanna课题组报道。掺镱光纤就是在纤芯内掺入一定浓度的镱离子（Yb3+）作为增益介质。与其他稀土离子相比，Yb3+的能级结构更为简单，仅由基态2F7/2和激发态2F5/2两个能级组成。在配位场作用下，基态和激发态产生斯塔克分裂，Yb3+在二氧化硅玻璃中的能级图如图2（a）所示。Yb3+简单的能级结构避免了激发态吸收、多光子无辐射弛豫和浓度淬灭等影响转换效率的不利因素Yb3+在铝硅酸盐光纤中的吸收发射截面如图2（b）所示。Yb3+具有很宽的吸收谱，可从nm延伸nm。Yb3+吸收谱的两个峰值位于和nm附近，这两个波段恰好处于高功率半导体激光器的最佳工作波长范围内。有趣的是，虽然Yb3+在?nm波段内的吸收较弱，却使得利用高亮度光纤激光器作为泵浦源的级联泵浦（将在第6节细介绍）成为可能。另外，Yb3+较宽的发射谱使得掺镱光纤的工作波长可以覆盖?nm很宽的光谱范围，而常见的高功率掺镱光纤器的波长范围为?1nm。综合来看，掺镱光纤激光器的泵浦波长与激光波长很接近，因此可实现很高的转换效率，这是激光器输出功率可定标放大的重要基础。如泵浦光波长选择为nm，激光输出波长为nm，理论上光光转换效率可以大于90%。图3为最早实现的双包层掺镱光纤激光器实验结果，激光阈值约为75mW，当泵浦激光功率约为mW时，输出激光功率约为mW，扣除泵浦光耦合过程中引入的损耗等因素，该激光器的光光转换效率达到了80%，年，Pask等人撰写了长文"Ytterbium-dopedsilicafiberlasers:Versatilesourcesforthe1-1.2μmregion”，受到人们的的高度