光纤放大器一般由种子源、抽运源、增益介质光纤、光隔离器及耦合系统等部分组成。双包层光纤放大器的独特之处在于其增益介质为双包层光纤，由掺杂纤芯、内包层、外包层、保护层4 部分组成，与常规光纤相比，多了一个可以传输抽运光的内包层。纤芯由掺稀土元素的SiO2 构成，它作为产生激光的波导，一般情况下是单模的;内包层由横向尺寸和数值孔径都比纤芯大得多、折射率比纤芯小的SiO2构成，是抽运光通道，对抽运光波长来说是多模的，用以传输高功率的抽运光。抽运光从一端通过耦合系统进入双包层光纤，在内包层传输过程中，以折射方式反复穿越纤芯，被掺杂离子吸收，形成粒子数反转以实现增益;信号光在另一端耦合进入纤芯，最终获得高功率、光束质量好的放大激光输出。

双包层光纤放大器采用的是行波放大的原理。纤芯中的掺稀土离子在抽运光作用下，处于粒子数反转状态，当信号光通过纤芯时，由于信号光频率与双包层光纤的增益谱线相重合，故激发态上的粒子在外来信号光的作用下产生受激辐射，这种辐射叠加到外来信号光上而得到放大。

作为光纤放大器中的重要组成部分，双包层光纤的选择和优化在实际应用中显得尤为重要。要获得高平均功率、高峰值功率的脉冲激光输出，须采用纤芯直径较大(>10mm)、数值孔径较低的大模场面积光纤。在实验中通常采用的双包层光纤的芯径为30 mm，NA0.06。上海光机所采用高掺杂浓度的掺Yb3+双包层光纤，芯径为43 mm。而美国密歇根州大学的多级光纤放大器中，最后一级功率放大所用的双包层光纤的芯径高达200 mm。但由于纤芯直径的增大，单横模的种子光源耦合进入光纤，在多模光纤内传播的结果，可能成为多模的放大激光光束，光纤放大器将会对激光的光束质量产生影响。因此，要得到高光束质量的放大激光输出，必须采用模式控制技术。此外，双包层光纤的内包层形状也是影响抽运光耦合效率的一个至关重要的因素，不同形状的内包层吸收系数也不同，因此要实现高功率光纤激光输出，必须选择较好的光纤结构。内包层形状呈D 形、长方形、梅花瓣形等的光纤对抽运光的吸收效率较高，但D 形、长方形和正方形存在几种局域模式，致使光线在包层中稳定反射而不能进入纤芯，因此设计内包层形状新颖、工艺上能接受的双包层光纤，尽可能地除去光线的一切局域稳定模式，可以使得对抽运光的吸收效率更高，同样掺杂浓度的情况下所需的光纤更短。美国密歇根州大学所采用的粗芯双包层光纤的内包层为八角形，尺寸600mm、NA0.46，使得抽运光的耦合效率大为提高。在国内，上海光机所王之江院士基于激光技术中的非稳腔概念，提出了"非稳腔形"内包层形状的双包层光纤，这种新颖内包层形状的双包层光纤更有利于高功率激光输出。

对于脉冲双包层光纤放大器来讲，为进一步增大单脉冲能量和提高峰值功率，必须采取措施抑制光纤中可能出现的非线性效应。由于脉冲双包层光纤放大器纤芯中的激光峰值功率密度非常高，且光纤较长，非线性效应出现的可能性很大。光纤中主要的非线性效应包括受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)。在光纤放大中由于SBS 比SRS 阈值低，故SBS 就成为光纤放大器中主要的非线性来源。避免SBS主要有两条途径:减少光纤长度和增大光纤的芯径。所以光纤长度的优化是一个非常重要的环节。此外，在光纤放大中，光纤端面的激光损伤也是不容忽视的一个问题。通常采取在双包层光纤输出端面熔接一段磨抛成一定角度的空芯光纤的"光纤帽"这一技术手段，以增大放大脉冲激光和光纤端面的相互作用面积，提高端面激光损伤阈值。

由国内外光纤放大器的研究现状可以看出，在实验室中通常采用端面耦合的抽运方式。

上海光机所研制的脉冲双包层光纤放大器采用的是透镜直接端面耦合抽运光方式，耦合效率达90%。通过采用空间滤波和非球面耦合技术，将半导体激光器发出的抽运光高效耦合进入双包层光纤的内包层中。采用透镜直接耦合的方法，可以获得高功率的激光输出。但由于稳定性较差，商用光纤激光器一般不采用此类方法。光纤端面熔接耦合是端面抽运的另外一种方式。采用带尾纤输出的大功率LD，尾纤与双包层光纤的一端熔接起来，在熔接处双包层光纤的纤芯上刻录光纤布拉格光栅，另一端抛光以构成谐振腔。美国密歇根州大学研制的四级放大脉冲光纤放大器中的前两级单模光纤放大采用的就是光纤端面熔接耦合方式[5]。虽然该方式结构牢固，但作为抽运源的大功率LD 列阵须用半导体制冷，所发出的激光需要经过光束整形、准直、非球面镜聚焦耦合到直径为几百微米的光纤中，因此整机体积较大，构造复杂，成本较高。

除上述的端面抽运技术外，国内外还相继发展了多种侧面耦合技术，如V 形槽侧面抽运、微棱镜侧面耦合抽运、内嵌反射镜侧面抽运、光纤侧面胶合抽运等，其耦合效率分别可达90%、88%、91%、90%。侧面耦合技术耦合效率较高，但是加工工艺较为复杂，成本较高。

在全球范围内，全光纤激光器是光纤激光器实用化和产业化的最佳途径，也是目前进入商业化和产业化最受重视的技术方案。我国在高功率光纤激光器的研究方面已经取得重要进展。

在某些激光应用中，往往要求激光具有很高的能量(或功率)，如激光惯性约束聚变(ICF)至少需要上万焦耳的能量，激光雷达需要大功率的调制激光。但欲获得高能量激光，仅靠激光器来实现存在诸多困难，这是因为提高激光器的输出功率与其他指标(如单色性、脉宽、调制性能、光束发散角等)要求是相矛盾的。利用调Q 或锁模技术，可以获得极高的峰值功率(109~1012 W)。其峰值之所以大得惊人，是由于把能量压缩在极短的时间内释放出来的缘故。但是这种高峰值功率的激光器实际上所输出的能量往往并不一定很大。因此，采用种子源主振荡放大技术(MOPA)来实现大脉冲能量、高平均功率成为一种理想选择。所谓种子源主振荡放大技术，就是采用高光束质量、小功率的固体或光纤激光器为种子光源，双包层光纤为放大器，通过将信号光耦合进光纤纤芯，将抽运光耦合进光纤内包层，从而实现对种子光源的高功率放大。

单频、高功率激光在激光雷达、光谱学、精密测量等领域有非常广泛的应用。与其他获得单频、高功率激光的方法(如传统的行波放大、注入锁定)相比，光纤放大具有体积小、结构简单、可控性和输出频谱特性好等优点。随着包层抽运技术的出现，单频光纤放大器的转换效率得到大幅度提高，在高功率和光频特性良好的激光束方面因其独特的优势而成为人们研究的热点。

国外在单频光纤放大器方面的工作开展较早，并已取得显著的成绩。1999 年汉诺威激光中心的Zawischa I 等利用掺N光纤放大获得了波长1064 nm、功率5.5 W 的单频输出，光原光转换效率为35%。其种子源为单块非平面环形腔激光器(NPRO)，输出功率750 mW。双包层光纤芯径为11依1 mm，数值孔径(NA)0.11;内包层直径为400 mm，NA0.38。光纤长30 m，并缠绕在直径为22cm 的圆盘上，以抑制高阶模式，获得单模输出。

2003 年，德国Liem A 等[2]报道了利用掺Yb3+光纤放大获得了100 W 的单频输出。采用大模场面积(LMA)双包层光纤，芯径30mm，NA0.06;内包层为D 型，直径400 mm，NA0.38，光纤长度为9.4m。以NPRO 为种子源，其最高输出功率为1.6 W，光束质量因子M2 约1.1，线宽2~3 kHz，波长1064 nm。当入纤抽运光为175W，信号光为1.6 W时，实验获得100 W 的单频输出，光原光转换效率为63%。

作为当今光电信息领域较前沿的方向之一，脉冲双包层光纤放大器日益成为国际上研究的热点。国外主要有英国的南安普顿大学光电研究中心、德国耶拿大学应用物理研究所、美国密歇根州大学和美国的IPG等对此进行了相关研究。在国内，脉冲双包层光纤放大器的研究起步较晚，主要的研究单位有中科院上海光机所、清华大学、中国电子科技集团第十一所和中科院西安光机所等。上海光机所、中国电子科技第十一所和清华大学对MOPA 方式的脉冲光纤放大器进行了理论和实验研究，并取得了重要进展。

2002 年，德国Limpert J 等报道了利用MOPA 技术获得纳秒脉冲的方法。以调Q Nd:YAG 薄片激光器作种子源，平均功率为6W，重复频率3~50 kHz，脉冲宽度70~300 ns，最大单脉冲能量0.6mJ。所用光纤是长25 m 的大模场面积(LMA)光纤，纤芯直径30mm，NA0.06;内包层为D 型，直径400 mm，NA0.38。抽运源为中心波长976 nm 的半导体激光器(LD)，通过一45毅双色片将抽运光从双包层光纤的一端耦合进入双包层光纤的内包层，种子光从另一端耦合进入双包层光纤的纤芯。采用上述方法，在1064 nm 处实现了最大平均功率100 W 的激光输出，光原光转换效率为71%，重复频率50 kHz，单脉冲能量2mJ，脉冲宽度80 ns，脉冲占空比为4伊10-3。重复频率为3 kHz时，单脉冲能量4 mJ，脉宽压缩为50 ns。2005 年4 月，上海光机所以4 m长的国产高掺杂浓度掺Yb3+双包层光纤(纤芯43 mm，NA0.08;D 形内包层650 mm/600mm，NA0.38，Yb3 +掺杂浓度为0.65%)作为放大介质，以调Q 脉冲激光器作为种子源(最大输出平均功率为1 W，频率20耀100kHz 可调，波长在1064 nm)，在种子光功率为1 W 左右时，获得高功率放大脉冲激光输出[4]。实验装置如图2 所示。在重复频率为100 kHz 时，测得放大脉冲激光的平均功率最高达133.8 W，脉冲宽度400 ns，脉冲占空比为4伊10-2，斜率效率为56%，光原光转换效率53%。重复频率在20耀100 kHz 可调，在60 kHz 重复频率时，典型的脉冲宽度为30 ns。

2005 年，美国密歇根州大学以单模LD 为种子光源，采用多级光纤放大的方式，获得了高脉冲能量的光纤激光输出。重复频率小于100 Hz，脉宽500 ns 时的脉冲能量高达82 mJ，脉冲占空比为5伊10-5;脉宽50 ns 时，脉冲能量为27 mJ (对应的重复频率为25 Hz);脉宽4 ns 时，脉冲能量为9.6 mJ。前两级为常规单模光纤放大，第三级为预放，采用大模场直径的多模光纤(纤芯50 mm，NA0.06;六角形内包层350 mm，NA0.45)，1064 nm 的小信号增益达27 dB。最后一级功率放大所用的是粗芯双包层光纤，纤芯直径达200 mm(但掺杂直径为100 mm)，NA0.062，内包层为八角形，尺寸600 mm，NA0.46，光纤长度为3.5 m。除纳秒级脉冲光纤放大器外，国内外研究机构也对皮秒级脉冲光纤放大器的研制做了有益探索，并取得了突破性进展。2006年，英国南安普顿大学光电研究中心以增益可调的单纵模LD 为种子源，采用四级光纤放大方式，在1064 nm 处获得了平均功率超过300 W 的脉冲激光输出，脉宽20 ps，脉冲占空比为2伊10-2，M2为2.4。这是迄今为止国内外报道的功率最高的皮秒级脉冲光纤放大器。种子源为增益可调的单纵模LD，重复频率为1 GHz，能产生波长1060 nm，脉宽为56 ps 的脉冲。种子源由一个连续分布反馈式(DFB)光纤激光器驱动，使之维持单纵模运转。

通过一个啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)，脉宽被压缩为20 ps。前三级为常规单模光纤预放，最后一级功率放大所用的是粗芯双包层光纤， 纤芯直径43 mm，NA0.09，内包层为D 形，尺寸650mm/600 mm，光纤长度为8 m。光纤两端都磨抛成10毅的倾斜角，以抑制放大的自发辐射(ASE)。同国外报道结果相比，我国的脉冲光纤激光研究同国际水平已经接近，在某些技术指标上已经居于领先水平;但在最高峰值功率方面还有较大差别。尤其在低重复频率的脉冲激光实验中，由于他们采用了200 mm 纤芯的放大光纤，纤芯面积增大，激光损伤阈值提高，因而可承受和提供更高的峰值激光功率。但在重复频率相近的高重频方面，国内的峰值功率水平和国外相差不大。

内包层形状对光纤的泵浦效率有着重要影响。由于内包层是泵浦光的多模波导，泵浦光必须多次穿过纤芯才能被稀土离子吸收。内包层的形状影响着泵浦光的吸收从而影响着泵浦耦合效率。

大多数双包层光纤都是圆对称形的，它有以下优点:一是不需要对预制棒做光学机械加工使工艺更加简单，二是当泵浦源为带尾纤的 LD，圆形石英包层之间的尺寸匹配易于耦合连接。但是也有一个的缺点:圆对称特性会使内包层中大量的泵浦光成为螺旋光，只有子午光线与纤芯相交，而偏射光线由于波导结构的对成性，呈螺旋型传导，从不穿过纤芯，所以泵浦效果很低。在传输的过程中不经过掺 Yb3+的纤芯，从而大大降低了纤芯对泵浦光的利用效率。

为了克服这个缺陷，需要开发新型的内包层截面。在各种改进的泵浦方案中，有的采用双包层光纤直接与半导体激光器的发光面或阵列耦合，有的与集成束状的尾纤耦合，因此也需要研制具有特殊形状内包层的双包层光纤。为了提高对泵光的利用效率，并考虑到与具体的泵源形式相匹配，近几年来人们开发出了多种内包层截面形状的双包层光纤，用于各种包层泵浦光纤激光器的研制工作中，取得了很好的效果。

泵浦光在这些有不同形状内包层的双包层光纤中传输时，纤芯中的稀土元素对泵光吸收率有很大不同。一般认为，矩形双包层光纤具有较大的吸收率，理论上可达到 100%的吸收。圆形的双包层光纤，光纤的曲率对吸收率的影响非常大，而对矩形双包层光纤，光纤的曲率对吸收率的影响非常小。还有内包层尺寸对泵浦光耦合效率的影响，激光吸收效率的影响。

内包层的设计主要集中在 3 点:包层形状、几何尺寸和数值孔径。为了提高泵浦效率，包层形状设计时应考虑光纤的用途及泵浦条件，小芯径光纤的设计还应考虑泵浦光耦合、连接损耗等问题，同时应避免包层形状中出现尖锐的曲线，避免降低光纤的强度。对于一定的泵浦光，增大内包层几何尺寸和数值孔径有利于其耦合和传输，特别是增大数值孔径，内包层可传输泵浦功率将以平方增长。但是，无论内包层形状如何设计，增加其横截面积，也就是减小纤芯和内包层的面积比终究会减少对泵浦光的吸收，降低泵浦效率，同时，对光纤的泵浦波段 ASE噪声产生很大影响。

随着大模场面积掺杂双包层光纤和大功率半导体激光器(LD)的技术成熟，脉冲光纤放大器的研究也获得了飞速发展，脉冲峰值功率越来越高。脉冲光纤放大器由于具有高光束质量、便于热管理、光纤输出、结构紧凑等优势，正广泛运用于军事，精密加工、医疗、太空通信等多个领域。窄脉宽、高功率、高光束质量的的脉冲光纤放大器已成为研究的重点。

04 年，英国的 Southampton 大学的 A.malinowski 等人报道了一种全光纤放大系统，以掺镱光纤激光器为种子源，用两级掺镱双包层光纤放大器进行放大，最后用光栅对压缩，在 62MHz 时获得了 110fs，400nJ 的脉冲。 2005 年，美国的 F.D.Teodoro 和 C.D.Brooks 以调 Q 的 Nd:LSB 微片激光器为种子源，通过双包层掺镱光纤和光子晶体光纤放大，图 1.3 为实验结构图，在10kHz 时，获得了 1ns，1mJ 的脉冲。

2006 年 6 月，英国南安普顿大学的 J.Kim 等人利用 W 型纤芯结构的双包层光纤进行放大，实现了 53W，103ps 的脉冲输出。

2007 年 A. Galvanauskas 又将 1~10ns 脉宽的种子脉冲信号经双级单模前置放大后，级联两级 LMA 掺镱光纤放大器，获得了 M约为 1.3，峰值功率超过 5MW的脉冲输出。

国内一些单位也开展了脉冲放大光纤放大器的研究。主要的研究单位有中科院上海光机所、清华大学、中国电子科技集团第十一所和中科院西安光机所等。 2004 年，上海光机所的孔令峰等人用调 Q 激光器做种子源，用双包层掺镱光纤作为增益介质，在 20kHz 时放大到了 0.3mJ 的脉冲能量。 2005 年，清华大学的叶昌庚等人报道了一种脉冲泵浦的掺镱光纤放大系统。以调 Q 的 Nd:YAG 微片激光器为种子源，以掺镱双包层光纤为增益介质，在 200Hz时，最大得到了 138.2μJ 的单脉冲能量，其脉冲宽度为 0.83ns。

综上所述，国内外脉冲高功率光纤放大器的实验研究主要采用的还是分立元器件设计，不利于提高激光器的稳定性。本文中将采用 MOPA 结构设计全光纤脉冲放大结构，实现了平均功率 2W、重复频率 50KHz、脉冲宽度为 20ns 的窄脉冲激光输出。