在世界范围内,光纤激光器的技术方案已经表现出全光纤结构的明显趋向,这种光路全部由光纤和光纤元件构成的全光纤一体化激光器,从激光的产生到激光的传输,全部在光纤环境中进行,从而表现出了众多显著的优越性,也使得人们对光纤激光器提出更高功率的要求。

大功率的光纤激光器会直接导致产生各种非线性现象,如受激拉曼散射(SRS: Stimulated Raman Scattering)、受激布里渊散射(SBS: Stimulated Brillouin Scattering)、自相位调制(SPM: Self-Phase Modulation)等,这些非线性制约光纤激光器功率提高的最大因素。

光纤中的非线性效应主要与光纤中的光强及光纤有效长度有关。因此降低光纤中的非线性效应有两条途径,其一是减小光纤的有效长度,在光纤激光器和放大器中就要求使用更短的掺杂光纤,这对掺杂光纤的放大性能提出了更高的要求;再有就是减小光纤中的光功率密度,要在不降低注入能量的前提下减小光强,光纤就必须提供更大的有效面积,以降低光纤中能量的集中程度。这一做法同时也有利于降低端面损伤和热自聚焦等问题对光纤激光器输出功率的限制。如果靠增大纤芯直径的方法来增大光纤模场直径,那么为了让光纤还能继续在大于原来的截止波长的条件下单模运转,就必须要相应的减小纤芯的折射率差否则,光纤很有可能会在工作波长上变为多模运转。很多的商用稀土掺杂光纤通过增加纤芯尺寸来增大有效面积,从而放弃了单模运转条件。具有大芯径、低数值孔径的少模或多模掺杂光纤,可以结合选模技术构造的单模运转光纤激光。但是这样的激光器结构既增加了系统的复杂程度和成本,又降低了可靠性;同时多模光纤本身也存在有稳定性方面的隐患。为了获得结构紧凑、稳定性高的大功率单模光纤激光器,各种实现LMA稀土掺杂单模光纤的理论和方法仍是研究热点。

降低纤芯的射率差以实现尽可能小的数值孔径的方法能够在一定程度上增大模场面积,英国南安普顿大学光电子研究中心的D.J.Richardson等人在1997年报道了具有310um模场面积的EDF,其NA低至0.066。这样低的NA也是目前工艺所能达到的极限,并且这样的光纤抗弯损性能会比较差,实际应用潜力不大。因此只是按照传统的方法,简单减小NA的方法遇到了瓶颈。在光子晶体光纤(PCF: Photonic Crystal Fiber)的研究兴起之后,纯石英的光子晶体光纤能够具有无尽单模(Endless Single Mode)特性,为大模场面积单模光纤提供了新的研究方向,一些研究成果已经在相关文献上报道过。但是基于光子晶体的LMA稀土掺杂单模光纤的制作也有不足:1)光子晶体光纤的制作本身就是工艺难点,难以保证制作的稳定性和重复性;2)由于高浓度稀土惨杂光纤预制棒的纤芯折射率会高于纯石英的折射率,利用现有的降低折射率的技术很难降低到纯石英的水平,这使得最终的光纤不能实现无尽单模,进而影响到光纤的大模场性能。除此之外,斯坦福大学的A. E. Siegman在2003年提出了一种新的概念 增益导引光纤,与传统阶跃光纤不同的是这种光纤纤芯的折射率比包层的折射率小,传统的全内反射理论在这种光纤中不再适用。理论分析表明,采用增益导引效应,可实现芯径百微米量级的单模大模场光纤。一些基于这种理论的增益导引折射率反导引(GG-IAG: Gain-Guided, Index-AntiGuided Fiber)光纤激光器也己经有报道。但是这种光纤的模式特性不仅与光纤的芯径、波长、包层折射率和芯包层折射率差有关,还与增益因子有关,这一特性与粟浦能量等因素的显著影响,难以保证光纤使用的稳定性。另外,香港城市大学的K. Chiang和V. Rastogi在2002年提出了瓣状光纤(SCF: Segmented Cladding Fiber)来增大纤芯的有效面积,它的纤芯由高折射率材料组成,包层由高折射率材料瓣与低折射率材料瓣交替组成。但是这种光纤的制作都依赖于聚合物材料,不适用于普通光纤的制作设备,并且会引入不必要的损耗,因此不具备制作商用大功率光纤激光器的能力。这些新型结构的光纤虽然确实能增大光纤的有效模场面积,但是在工艺和具体应用上都存在实用化的问题。