更高的(de)功率、更短的(de)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)、更強的(de)亮(liang)度是激(ji)光(guang)(guang)器技術發展不變的(de)追求(qiu)。在脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)激(ji)光(guang)(guang)器工業應用中，短脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)、高峰(feng)值(zhi)(zhi)對材料加工效果有(you)重要影(ying)響(xiang)。光(guang)(guang)纖(xian)(xian)激(ji)光(guang)(guang)器相比固體激(ji)光(guang)(guang)器而言(yan)，在平(ping)均(jun)功率上更具優勢(shi)，在峰(feng)值(zhi)(zhi)功率上則受到明顯的(de)限(xian)制。長(chang)期以(yi)來光(guang)(guang)纖(xian)(xian)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)激(ji)光(guang)(guang)器的(de)脈(mo)(mo)寬局(ju)限(xian)在ns以(yi)上，峰(feng)值(zhi)(zhi)15 kW以(yi)內，以(yi)100 ns 1 mJ為(wei)標準(zhun)。

如圖1所示的激光脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)序列中，峰值(zhi)功(gong)率等于(yu)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)能量除以(yi)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)寬(kuan)度，因此在(zai)同等能量條件(jian)下，縮短脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)寬(kuan)度可(ke)(ke)以(yi)大(da)大(da)增加峰值(zhi)功(gong)率，同等脈(mo)(mo)寬(kuan)條件(jian)下，提高峰值(zhi)則可(ke)(ke)以(yi)增加脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)能量。

目(mu)前主流工業市場(chang)上固(gu)體脈(mo)(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)器(qi)中，納(na)秒(miao)(miao)級(ji)脈(mo)(mo)寬的(de)激(ji)(ji)光(guang)器(qi)能量(liang)可達mJ級(ji)，以(yi)1 mJ能量(liang)10 ns脈(mo)(mo)寬計(ji)(ji)算(suan)，峰值(zhi)功(gong)(gong)率(lv)(lv)可達100 kW。皮(pi)秒(miao)(miao)脈(mo)(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)器(qi)能量(liang)在300 μJ左右(you)，以(yi)10 ps計(ji)(ji)算(suan)，峰值(zhi)功(gong)(gong)率(lv)(lv)可達30 MW。飛秒(miao)(miao)脈(mo)(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)器(qi)能量(liang)以(yi)100 μJ，脈(mo)(mo)寬500 fs計(ji)(ji)算(suan)，則峰值(zhi)功(gong)(gong)率(lv)(lv)達到200 MW。作為比較，常規的(de)MOPA納(na)秒(miao)(miao)脈(mo)(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)器(qi)的(de)峰值(zhi)功(gong)(gong)率(lv)(lv)在10 kW左右(you)，遠低于(yu)固(gu)體激(ji)(ji)光(guang)器(qi)的(de)指標。

圖1 脈沖寬度(du)與峰值功率

圖2給出了大模場(chang)單芯光(guang)纖的(de)輸(shu)出能(neng)力(li)受(shou)(shou)限(xian)(xian)(xian)(xian)因(yin)素分解框圖。主要(yao)的(de)受(shou)(shou)限(xian)(xian)(xian)(xian)因(yin)素包括5項：負載能(neng)力(li)受(shou)(shou)限(xian)(xian)(xian)(xian)、B 積分受(shou)(shou)限(xian)(xian)(xian)(xian)、提取效(xiao)率受(shou)(shou)限(xian)(xian)(xian)(xian)、光(guang)束(shu)質量(liang)受(shou)(shou)限(xian)(xian)(xian)(xian)以及偏振態受(shou)(shou)限(xian)(xian)(xian)(xian)。

在圖(tu)(tu)2給出(chu)的(de)各種物理機制(zhi)的(de)解決方法分屬(shu)于不同(tong)的(de)設(she)計(ji)(ji)層(ceng)級(ji)，具(ju)體包(bao)括：基質材料、增(zeng)大模(mo)場、導(dao)模(mo)結(jie)構和偏振(zhen)結(jie)構屬(shu)于光纖設(she)計(ji)(ji)層(ceng)級(ji)，圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)以(yi)藍色(se)框(kuang)表示；端(duan)面戴帽擴束、模(mo)式(shi)激發、模(mo)式(shi)濾(lv)波(bo)屬(shu)于器件(jian)設(she)計(ji)(ji)層(ceng)級(ji)，圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)以(yi)橙色(se)框(kuang)表示；泵浦方式(shi)、隔離濾(lv)波(bo)和偏振(zhen)控制(zhi)屬(shu)于單元設(she)計(ji)(ji)的(de)層(ceng)級(ji)，圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)以(yi)綠色(se)框(kuang)表示；增(zeng)大帶寬、脈寬選(xuan)擇(ze)、重頻選(xuan)擇(ze)和增(zeng)益(yi)分配則屬(shu)于系(xi)統設(she)計(ji)(ji)層(ceng)級(ji)，圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)以(yi)紫(zi)色(se)框(kuang)表示。

除(chu)了上述5項之外，在連續高功率光纖激光器(qi)中需(xu)要考慮的熱效應并未在此列出，因為我(wo)們(men)追(zhui)求的高峰值功率光纖放大器(qi)中，平均(jun)功率遠遠低于(yu)熱效應能夠發(fa)揮顯著作用的范疇(chou)，在此不做討論。

圖2 脈沖(chong)光纖激光器峰值(zhi)功率(lv)受限因素分析

負載能力(li)受限(xian)以(yi)(yi)激(ji)光(guang)(guang)(guang)強度度量，物(wu)理機(ji)制包(bao)括體損(sun)傷(shang)(shang)和(he)面損(sun)傷(shang)(shang)，其中面損(sun)傷(shang)(shang)可以(yi)(yi)通過端(duan)面戴帽技術予以(yi)(yi)避免，體損(sun)傷(shang)(shang)則(ze)受限(xian)于光(guang)(guang)(guang)纖基質材料(liao)特性，為極限(xian)受限(xian)因(yin)素。典型地，光(guang)(guang)(guang)強閾值(zhi)(zhi)約為4.75 kW/µm2，對50 µm的模場直(zhi)徑，對應的損(sun)傷(shang)(shang)功(gong)率閾值(zhi)(zhi)達(da)到9.3 MW，已(yi)經遠(yuan)超過目前(qian)(qian)脈沖光(guang)(guang)(guang)纖激(ji)光(guang)(guang)(guang)器芯內峰值(zhi)(zhi)功(gong)率的水(shui)平(ping)，也高于自聚焦閾值(zhi)(zhi)功(gong)率，因(yin)此，體損(sun)傷(shang)(shang)目前(qian)(qian)還(huan)不是需(xu)要考慮的問題。

提取效率主要受限(xian)于(yu)(yu)自發輻射放(fang)大（ASE），受限(xian)于(yu)(yu)多級(ji)放(fang)大器的(de)(de)(de)增(zeng)益(yi)分(fen)配，級(ji)內則受限(xian)于(yu)(yu)脈(mo)(mo)(mo)沖的(de)(de)(de)占空比。特別是在亞納秒短脈(mo)(mo)(mo)沖放(fang)大條件下，ASE直(zhi)接(jie)限(xian)制了脈(mo)(mo)(mo)沖能量的(de)(de)(de)提升，也限(xian)制峰值(zhi)功(gong)率的(de)(de)(de)提升。不過ASE的(de)(de)(de)限(xian)制可以(yi)通(tong)過合理(li)設計多級(ji)放(fang)大器，優化級(ji)間(jian)增(zeng)益(yi)分(fen)配和泵浦方(fang)式(shi)來抑制，另(ling)外還(huan)(huan)可以(yi)通(tong)過光譜(pu)濾波和聲光濾波的(de)(de)(de)方(fang)式(shi)減少傳導到后級(ji)的(de)(de)(de)ASE成分(fen)。合理(li)的(de)(de)(de)級(ji)間(jian)增(zeng)益(yi)分(fen)配還(huan)(huan)有助于(yu)(yu)抑制脈(mo)(mo)(mo)沖增(zeng)益(yi)飽(bao)和問題，獲(huo)得更加好(hao)的(de)(de)(de)脈(mo)(mo)(mo)沖波形。

光(guang)(guang)束質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)受限以(yi)光(guang)(guang)束質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)因子(zi)M2度量(liang)(liang)(liang)，為獲得基模(mo)(mo)(mo)輸(shu)出主要是(shi)要通過光(guang)(guang)波(bo)導導模(mo)(mo)(mo)結構設計以(yi)保(bao)證(zheng)單模(mo)(mo)(mo)或者少模(mo)(mo)(mo)運轉，在(zai)此基礎上(shang)輔助以(yi)不同芯徑光(guang)(guang)纖(xian)熔(rong)接時模(mo)(mo)(mo)式激(ji)發(fa)控制以(yi)及光(guang)(guang)纖(xian)盤(pan)繞等模(mo)(mo)(mo)式濾波(bo)手(shou)段來(lai)改(gai)善光(guang)(guang)束質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)。目前能夠保(bao)證(zheng)高(gao)光(guang)(guang)束質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)輸(shu)出的(de)常(chang)規光(guang)(guang)纖(xian)就是(shi)30/250，光(guang)(guang)子(zi)晶體(ti)等特殊(shu)光(guang)(guang)纖(xian)的(de)纖(xian)芯可以(yi)擴大(da)到100 µm左右。這(zhe)種模(mo)(mo)(mo)場尺寸相比(bi)工業固(gu)體(ti)激(ji)光(guang)(guang)器毫米級的(de)光(guang)(guang)斑尺寸仍(reng)然太(tai)小，后面(mian)提(ti)到的(de)諸多非線性(xing)效應都跟(gen)B積分(fen)有(you)關，而B積分(fen)是(shi)反比(bi)于模(mo)(mo)(mo)場面(mian)積的(de)。

偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)態(tai)(tai)受限以偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)度(du)度(du)量(liang)，物理(li)機制(zhi)主要是(shi)光(guang)纖波導的(de)偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)特性。在(zai)普(pu)通的(de)雙包層光(guang)纖中(zhong)，線(xian)偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)光(guang)會發生退偏(pian)(pian)(pian)，且(qie)退偏(pian)(pian)(pian)度(du)對彎曲和環境參數(shu)敏感，難以保持(chi)穩定的(de)偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)態(tai)(tai)輸(shu)出。同(tong)樣條件(jian)下，偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)光(guang)一(yi)般比非偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)光(guang)的(de)峰值功(gong)率閾(yu)值低一(yi)半，因為非偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)光(guang)可(ke)以分解(jie)為兩(liang)個(ge)正交的(de)非偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)光(guang)分量(liang)。

在脈沖(chong)光(guang)纖激光(guang)器中，影響(xiang)峰值功率重要的因素是B積分，也就是光(guang)纖中的非線(xian)性相位偏移量，B積分的定義如下：

可見(jian)，B積分正比于(yu)功率隨光纖長度的積分，同時與模場直(zhi)徑和激光波長成反比。

光(guang)(guang)纖中的(de)三階非線性效(xiao)應(ying)可以(yi)分(fen)為兩大類：一類是(shi)光(guang)(guang)強(qiang)誘導的(de)折射(she)率調制(zhi)效(xiao)應(ying)，包括自相位調制(zhi)（SPM）、交叉相位調制(zhi)（Cross-Phase Modulation:XPM）、調制(zhi)不穩定性（Modulation Instability: MI）、四波(bo)混頻（Four-Wave Mixing:FWM）以(yi)及自聚焦（Self-Focusing: SF）等(deng)；另一類是(shi)非彈(dan)性光(guang)(guang)散(san)射(she)效(xiao)應(ying)，涉及光(guang)(guang)子與基質材料(liao)晶格(ge)振動之間的(de)能量交換，包括受激布(bu)里(li)淵(yuan)散(san)射(she)（SBS）和(he)受激拉曼散(san)射(she)（SRS）。這其中，高的(de)限制(zhi)取決于自聚焦閾(yu)值(zhi)，對(dui)光(guang)(guang)纖材料(liao)而言，這個值(zhi)大概在4 MW的(de)水平(ping)。

在自聚(ju)(ju)焦(jiao)閾(yu)值(zhi)之(zhi)下，受激拉曼散射是重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)限制，因(yin)為拉曼光(guang)相(xiang)比基(ji)頻(pin)光(guang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)譜頻(pin)移量高達60 nm，拉曼成分過(guo)高會嚴重(zhong)影響隔離器磁光(guang)晶體的(de)(de)(de)(de)作用，也(ye)會給鏡頭帶來很大的(de)(de)(de)(de)色差。圖(tu)3給出了(le)光(guang)纖(xian)內峰值(zhi)功(gong)率超過(guo)自聚(ju)(ju)焦(jiao)閾(yu)值(zhi)時產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)自聚(ju)(ju)焦(jiao)成絲的(de)(de)(de)(de)演(yan)化過(guo)程。

圖3 功率為2倍自聚焦閾值功率（8 MW）下，在（圖a）80 µm和（圖b）200 µm芯徑光纖中LP₀₂ 模式(shi)的(de)光強分布