第1章绪论
1960年7月，世界第一台以红宝石作为增益介质的固体激光器被发明出来［1］，从此打开了人们对激光领域认知的大门。相较于传统光源，激光集单色性好、方向性好、相干性好、亮度高和超短脉冲等优点于一身，成为与原子能、计算机、半导体齐名的20世纪四项重大发明之一，在工农业生产、通信、医疗、科研、国防等诸多领域具有极其广泛的应用。
1961年，Snitzer E等采用掺钕光纤作为增益介质，构建了第一台光纤激光器［2］。1985年，南安普顿大学成功制备了低损耗的稀土掺杂光纤［3］，为光纤激光器的快速发展做出了重要贡献。从此，光纤激光器再次得到了广泛关注，光纤工艺、谐振腔结构均得到了很大提升与优化，波分复用器、合束器、耦合器、隔离器等全光纤集成器件工艺快速发展，光纤激光器的全光纤化进一步提升了自身的转换效率、抗环境抖动能力和抗干扰能力，同时多种光纤器件间可通过熔接的方式实现低损耗连接，丰富了光纤激光器的输出特性。全光纤化是近年光纤激光器领域的一项重要突破。
与传统固体激光器相比，全光纤激光器有很多优点。*先，光纤的表面积和体积之比很大，因此，光纤激光器的散热性能很好，无需冷却装置；其次，光纤激光器体积小、质量轻、成本低廉、无需准直、操作简单；再次，光纤激光器输出端是光纤，易与光纤通信、光纤传感等系统兼容。因此，光纤激光器一经问世，就获得了极大的关注，得到了飞速的发展。
1.1超快光纤激光器
在光纤激光器中实现短脉冲输出，使其在短时间内具有更高的峰值功率，这在实际应用中具有重要的意义。随着调Q及增益开关、主动调制［4］、非线性光纤环形镜［5］、非线性偏振旋转效应［6］、半导体可饱和吸收镜［7］等锁模机制在光纤激光器中的应用，光纤激光器输出的脉冲宽度由纳秒(ns)量级被大幅度压缩至皮秒(ps)量级。在此基础上，色散管理技术的采用极大地解决了由光纤色散造成的脉冲展宽问题，锁模光纤激光器的脉冲宽度甚至达到飞秒(fs)量级［811］。以锁模技术为基础，脉冲宽度在皮秒量级以下的超快光纤激光器得到了快速发展。而随着稀土掺杂光纤工艺的提升和锁模机制的不断优化，分别以掺镱（Yb）光纤、掺铒（Er）光纤、掺铥（Tm）光纤、掺钬（Ho）光纤作为增益介质的超快光纤激光技术及其应用已日趋成熟，并逐渐进入了实用化时代，在工业、通信、医疗、科研等领域中发挥着不可替代的作用。
一般来讲，激光器的主要参考指标包括重复频率、脉冲宽度、峰值功率以及平均功率。而超快(或超短脉冲)光纤激光器，是指脉冲宽度在皮秒甚至飞秒量级的激光器，锁模是产生超短脉冲的主要手段。锁模光纤激光器与普通激光器结构一样，由泵浦源、增益物质和谐振腔构成，其激光产生的过程就是泵浦光与增益介质发生相互作用产生受激辐射的物理过程。光纤激光器的泵浦源一般为激光二极管(LD)或激光二极管阵列，增益介质为掺杂各种不同稀土离子(如Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等)的光纤，一种有源组件(光调制器)或者无源非线性器件(饱和吸收器)使光能够在谐振腔中循环往复形成超短脉冲，在稳态情况下，影响循环脉冲的各种效应达到平衡，脉冲每循环一周后参数不会发生变化，或者几乎不发生变化。每个脉冲长度非常短，通常在皮秒或飞秒量级。因此，锁模光纤激光器的峰值功率会比其平均功率高几个数量级。
利用锁模原理实现超短脉冲激光有两个重要条件：一是多纵模振荡，即要求增益介质的增益带宽大，这样增益介质所能支持的纵模数就更多；二是各模式之间的稳定相位差，即通过锁模器件使纵模之间的相位差稳定［12］。*常见的谐振腔是法布里珀罗(FabryPerot，FP)腔，它是由增益介质和锁模器件置于两片高反射率的腔镜之间构成的，如图1.1所示。
图1.1锁模光纤激光器基本结构
在光纤激光器结构中，通常从定向耦合器的泵浦波长输入端导入泵浦光，如图1.2所示，这种耦合泵浦光的器件称为波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)泵浦耦合器，通过锁模器件输出超快激光。
图1.2采用WDM泵浦耦合器的光纤激光器结构
环形腔光纤激光器也是通过WDM泵浦耦合器导入泵浦光的，如图1.3所示，在光纤环路中插入锁模器件调制腔内脉冲，光纤隔离器使环形腔内激光单向运转。
图1.3环形腔光纤激光器
对于那些无法采用增益光纤获得的超快激光波长，孤子自频移是行之有效的选择。1928年，印度物理学家拉曼（Raman）*次发现泵浦光入射到非线性介质中，会散射(即受激拉曼散射，stimulated Raman scattering，SRS)出不同于泵浦光的两种新频率分量的光，即斯托克斯光和反斯托克斯光。1986年，常规光纤中的孤子自频移在实验中被观察到，并由Gordon解释了这个理论［13］。此后，孤子自频移被广泛应用到不同类型的光纤，微结构光纤和高阶模光纤通常用来将孤子自频移的可行性波长扩展到近红外波段(小于1.3μm)和可见光波段，Chestnut和Talor成功在石英单模光纤中将孤子自频移的波长扩展到1.72μm［14］，氟化物和硫化物光纤中孤子自频移已经实现了2.0~4.3μm波段超短脉冲中红外激光［1518］。
伴随着光纤通信对光纤器件需求的快速增长，相关光纤器件工艺制作水平不断提高，出现了很多更高性能、更低成本的新型光纤器件，使光纤激光器的应用也从工业和光纤通信领域延伸到特殊材料加工、生物医疗以及国防等领域。
1.2超快光纤激光器的应用领域
由于光纤在通信领域的大量应用，使光纤及其相关器件成本大幅度降低，可以很容易购买到组成光纤激光器的部件，通过熔接技术将光纤及其他部分组合起来，再经过光路准直就可以构建出光纤激光器。另外，随着保偏光纤的普及，可以构建出极其稳定的环境不敏感全光纤结构激光器，增加了光纤激光器的商用价值。近几年，随着掺铥光纤以及一些新型光纤的研制成功，使超快光纤激光器的研究逐渐在中红外波长附近开展起来。目前，超短脉冲光纤激光器的应用几乎随处可见，从激光加工、光通信，到生物成像、医用仪器［1926］，光纤激光器已经与人们的生活密不可分，可以说，没有光纤激光器如此飞速的发展，也不会有现在如此便利的生活。下面，对超短脉冲光纤激光器的几种典型应用场景进行重点阐述。
1.光孤子通信
光脉冲在光纤中传输时，光纤中非线性效应对光脉冲的压缩与群速度色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件下，光脉冲可以在光纤中保持稳定的形状永久传输下去，通常将这种形状保持不变的脉冲称为光孤子。
*先，利用光孤子作为通信载体可以实现全光中继，大大简化了中继设备，具有高效、简便、经济的优点。其次，光孤子脉冲宽度窄至皮秒甚至飞秒量级，相邻脉冲间隔很小，不至于发生脉冲重叠，使其在传输过程中误码率很低，与现有光纤通信相比，其误码率可以低于10-12，基本实现了100%的光纤通信传输。*后，光孤子摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，可以携带大量信息，传输码率*高可以达到100Gbit/s以上，使得孤子通信在未来光纤通信领域拥有巨大的应用潜力［27］。
如图1.4所示为光孤子通信系统的基本示意图。日本NTT研究所利用东京都市光纤网进行了20Gbit/s光孤子通信实验，*次实现了室外光孤子无误码传输，传输距离达到10000km以上，为孤子通信的实际应用奠定了基础［28］。
图1.4光孤子通信系统的基本示意图
2.空间光通信
空间光通信是一种通过激光在大气信道中实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息传输的通信技术。激光器用于产生激光信号，并形成光束射向空间。激光器的性能直接影响通信质量及通信距离，对系统整体性能影响很大，因而对它的选择十分重要。
高功率的激光光源对空间光通信的实现具有重要意义，若要实现空间通信就必须采取合适的激光光源。可高速调制的大功率激光器是制约激光通信的两个关键因素，为解决这两个关键因素，对激光发射源提出了很高的要求。选取适合空间光通信的光源应该具备工作频率高、光束质量好、线宽窄的特点。超快锁模光纤激光器具有峰值功率高、可靠性好和体积小的优势，选择输出功率足够高的超快锁模光纤激光器可以满足空间通信的要求。图1.5为基于光纤耦合结构的空间光通信系统。
图1.5基于光纤耦合结构的空间光通信系统
3.工业加工
材料进行精确机械加工，要求光纤激光器具有高峰值功率和高脉冲能量(机械切割一般需要毫焦量级的脉冲能量)，大模场半径光纤(25~50μm)的研制成功使光纤激光器并不完全依赖于脉冲啁啾放大技术，就能够使输出脉冲能量满足精密机械加工等重要领域的应用。除了需要较高的脉冲能量，脉冲宽度对精密加工也有十分重要的影响，图1.6为纳秒激光器和飞秒激光器对材料切割的结果，通过对比发现，飞秒量级激光切割后的材料，其切开表面光滑程度要明显好于纳秒量级激光切割［30］，因此在设计脉冲光纤激光器时，除了获取高能量，如何压缩脉冲宽度也是研究的重点。被动锁模技术是产生飞秒级脉冲的主要技术手段之一，被动锁模光纤激光器中的可饱和吸收体可以使激光器实现自启动，并实现小于100fs的脉冲宽度输出［29］，因此被动锁模光纤激光器可以广泛应用在精密机械加工等领域。
图1.6纳秒激光器与飞秒激光器加工
（a）纳秒激光器；（b）飞秒激光器
4.生物光子学
传统的荧光显微镜通常是利用连续激光器来完成的，光源选择需要覆盖荧光吸收波段(即蓝光至绿光的光谱范围)。近年来，随着超连续光谱光纤激光器的研制成功，已经逐渐开始取代原有的光源。对于荧光显微镜，超连续光谱的时间相干性并不重要，通过可调谐滤波器可以准确激发荧光所在位置，利用脉冲宽度在10ps~1ns，10kW峰值功率的脉冲足以产生倍频程宽度的连续谱。基于掺镱光纤的被动锁模光纤激光器可以很容易达到要求，脉冲经过放大后耦合进入具有高非线性效应的光纤(如光子晶体光纤)中，从而实现350~2200nm的超宽光谱输出［31，32］。如果采用氟化光纤或其他特殊材料光纤构成的光纤激光器，可以将超连续光谱的范围拓宽到4000nm甚至更宽。另外，光纤激光器在太赫兹成像以及多光子成像方面同样也取得了重要进展，如二次谐波、三次谐波、反斯托克斯拉曼散射显微镜等。图1.7为利用超短脉冲光纤激光器与非线性显微镜相结合，通过二次谐波与三次谐波技术观察到的活体组织的多光子显微镜图像［33］。
图1.7活体组织的多光子显微镜图像
(a)~(d)孔雀鱼尾部图像;(e)~(h)果蝇翅膀图像
1991年，Huang等在Science上发表了第一篇关于光学相干断层成像(optical coherence tomography，OCT)的文章［34］，提出了OCT技术的概念。这一集高分辨率、非侵入式、无损伤、速度快、体积小、低成本等优点于一身的成像技术迅速引起了重视，借助于低相干的宽谱光源，通过对组织反射光的探测实现对在体组织的深层结构成像，OCT技术相较于现有的超声成像、X射线计算层析、核磁共振等技术亦不落下风。图1.8为OCT系统对皮肤的成像，其成像深度可达到1~2mm，远高于共聚焦激光扫描显微镜250μm的成像深度，轴向分辨率
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