光纖激光器由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高及光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn), 成為固體激光器發(fā)展的熱點(diǎn)。而基于光子晶體光纖的光纖激光器因其具有超大的模面積、寬帶單模傳輸、大幅度可調(diào)的色散特性等優(yōu)點(diǎn)，也有著更為廣闊的應(yīng)用前景。從2000 年首臺(tái)光子晶體光纖激光器問世到現(xiàn)在的短短幾年間， 各種類型的光子晶體光纖激光器等紛紛涌現(xiàn)。其中, 由于摻稀土元素大模面積PCF 激光器解決了普通光纖激光器在激光器高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)由于纖芯能量過于密集而出現(xiàn)一些非線性效應(yīng)并會(huì)導(dǎo)致光纖的損壞的問題而成為研究的重要方向。

　　目前報(bào)導(dǎo)的摻雜大模面積PCF 激光器主要有摻Y(jié)b3+、摻Nd3+和摻Er3+三種PCF 激光器。報(bào)導(dǎo)最多的是摻Y(jié)b3+PCF 激光器。

　　1 傳統(tǒng)摻Y(jié)b3+PCF 激光器

　　2000 年， 英國巴斯大學(xué)演示了一種摻Y(jié)b3+的PCFL，在730nm 波長以上具有GVD 的PCF 中首次獲得激光作用。該激光器具有大空氣孔和小芯徑的PCF，固體纖芯直徑為1.6μm，摻雜區(qū)直徑為0.9μm；其激射閾值小于10mW， 輸入功率330mW 時(shí)， 獲得14mW 的輸出功率。

　　2001 年Wadsworth 等人報(bào)導(dǎo)了第一臺(tái)大模面積摻Y(jié)b3+PCF 激光器。采用的泵浦光源為波長915nm的鈦寶石激光器, 當(dāng)泵浦光為1.03W 時(shí)得到了波長1040nm 處315mW 的單模激光輸出。同年，F(xiàn)urusawa等人用波長966nm 的半導(dǎo)體激光器泵浦一段長度約為1m 的摻Y(jié)b3+PCF， 得到平均輸出功率為17mW，脈寬約15ps， 斜率效率約75%， 波長調(diào)諧范圍從1030～1050nm，譜寬為0.1nm，實(shí)現(xiàn)了第一臺(tái)摻Y(jié)b3+鎖模PCF激光器。

       2 摻Y(jié)b3+雙包層PCF 激光器

　　將光子晶體光纖設(shè)計(jì)成雙包層結(jié)構(gòu)， 可提高其對(duì)泵浦光的吸收。用厚度小于傳輸波長的硅條在其內(nèi)包層周圍懸置硅網(wǎng)構(gòu)成空氣包層， 可以大大提高內(nèi)包層的數(shù)值孔徑。大數(shù)值孔徑內(nèi)包層的PCF 可以較大地縮小內(nèi)包層直徑而維持對(duì)泵浦光的吸收不變。同時(shí)，通過提高纖芯與內(nèi)包層的面積比可以提高纖芯對(duì)泵浦光的吸收，并使PCF 的工作長度縮短。大模面積的設(shè)計(jì)和有效縮短吸收長度可以大大減小光纖中的非線性效應(yīng)，有利于制作高功率PCF 激光器。

　　2003 年1 月，Wadsworth 等人報(bào)導(dǎo)了利用大模面積空氣包層PCF 研制的高功率PCF 激光器，其結(jié)構(gòu)為雙程后向線性腔結(jié)構(gòu)，最大輸出功率3.9W，斜率效率30%， 實(shí)現(xiàn)單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)。所采用的PCF 纖芯直徑為15μm ， 內(nèi)包層數(shù)值孔徑大于0.8。德國耶拿的Friedrich Schiller 大學(xué)和丹麥的Crystal Fiber 公司根據(jù)雙包層和大模場(chǎng)面積設(shè)計(jì)制作出大功率摻Y(jié)b3+ PCFL。2.3m 長的空氣包層PCFL 實(shí)現(xiàn)了80W 輸出功率，斜效率為78%。該雙包層由一個(gè)具有六角形晶格的空氣孔內(nèi)泵浦芯包層和一個(gè)390nm 厚、約50μm 長的SiO2橋形外包層薄板構(gòu)成。為了獲得三角形的28μm 大模場(chǎng)面積纖芯， 在拉制光纖前插入了三根摻Y(jié)b3+的光纖棒。纖芯摻雜Al3+以增加Yb3+的溶解性，而且摻進(jìn)了氟用來補(bǔ)償摻雜Yb3+和A13+后纖芯折射率的增加， 使摻雜后纖芯折射率接近純硅。此外，具有類似結(jié)構(gòu)的4m長PCFL 的輸出功率增長到260W，并有千瓦級(jí)的輸出潛力。

　　2004 年，英國SPI 制備雙端泵浦12m 長的雙包層光纖(內(nèi)NA 低于0.05，芯徑40μm)，輸出功率1.36kW，輸出激光波長在1.1μm，光束質(zhì)量因子M2=1.4，光束質(zhì)量接近衍射極限，斜率為83%；丹麥Crystal Fibre 公司制備出基于形狀雙折射原理研制的摻Y(jié)b3+雙包層偏振PCF，得到了2.9W 的偏振激光輸出。其纖芯大小為3×7μm2，雙折射系數(shù)為1.4×10（-4）。同年，英國Strathclyde大學(xué)與丹麥Crystal Fibre A/S 公司合作，首次研制出具有高偏振輸出的PCFL。由于采用了不對(duì)稱半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)， 使該激光具有200:1 以上的線性偏振， 并獲得3.7W 的輸出功率。

　　2007 年，丹麥的Crystal fibre A/S 公司制備出雙包層偏振保持Yb3 + 摻雜PCF （DC -200/70 -PM -Yb -ROD）。這種光纖能夠做到偏振保持特性，并且其有效面積高達(dá)2000μm2， 大的有效面積保證光纖比較大的脈沖吸收，吸收系數(shù)為30dB/m，其外直徑高達(dá)1.7mm，大的外徑保證了光纖有一個(gè)比較大的芯， 也就不再受彎曲損耗的限制。

　　2008 年3 月，德國Jena 研究所與丹麥Crystal FibreA/S 公司合作報(bào)道了一種Yb3+摻雜單橫模棒狀PCF，這種光纖具有低非線性和內(nèi)在偏振穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)?；Ｄ?chǎng)面積高達(dá)2300μm2， 輸出功率高達(dá)163W，在諧振腔沒有任何附加偏振元件的條件下偏振度大于85％， 輸出光束的質(zhì)量M2＝1.2， 單橫模窗口的范圍是1030～1080nm， 與摻Y(jié)b3+硅光纖的增益輪廓能夠很好的重疊， 這種用于偏振或偏振保持的稀土摻雜雙包層光纖具有迄今最大的模場(chǎng)面積。

　　近幾年，國外的大模面積雙包層摻Y(jié)b3+PCFL 發(fā)展迅速，而國內(nèi)PCF 激光器的研究剛剛起步，由于PCF研制技術(shù)等方面的限制， 目前國內(nèi)只限于中低功率的PCF 激光器的研究。

       2007 年，西安光機(jī)所和四川大學(xué)使用兩根單模摻Y(jié)b3+光子晶體光纖PCF1 和PCF2 （纖芯直徑為40μm，模場(chǎng)面積為1000μm2）作為增益，利用自成像諧振腔技術(shù)，獲得了最大相干輸出功率為95.8W，耦合效率為90.2％。

　　2008 年， 河北大學(xué)和南開大學(xué)利用纖芯直徑23μm、內(nèi)包層直徑420μm 的摻Y(jié)b3+雙包層PCF，基于利特羅裝置中的閃耀光柵， 實(shí)現(xiàn)了波長范圍為1035.425～1111.770nm 的可調(diào)諧輸出。在不同的波長下，激光輸出功率的平坦度為0.8dB。在12.11W 的最大泵浦功率下，可以得到輸出功率為3.45W 的最大輸出。

　　燕山大學(xué)紅外光纖與傳感研究所在國內(nèi)率先進(jìn)行了光子晶體光纖的研制， 已設(shè)計(jì)和制造過多種特異結(jié)構(gòu)和集成式微結(jié)構(gòu)光纖，見圖2。目前，燕山大學(xué)與天津大學(xué)和鄭州大學(xué)合作，正在進(jìn)行“超大功率集成式多芯微結(jié)構(gòu)光纖激光器的研究”，最終目標(biāo)是完成一個(gè)可以輸出千瓦級(jí)的高功率光纖激光系統(tǒng)。所制備的摻Y(jié)b3+雙包層大模面積光子晶體光纖的纖芯摻雜Yb3+的濃度為2000～10000ppm。光纖的內(nèi)包層分布著5～8 層空氣孔，其直徑d＝2～3μm，孔間距Λ＝7～13μm 之間。盡可能讓零色散波長在泵浦波長處， 并且要設(shè)計(jì)包層中的光子帶隙也有利于泵浦能量的利用。外包層為大空氣孔，空氣填充率超過95%，以增大和內(nèi)包層的折射率差。最外層仍為玻璃材料，起支撐作用。采用此種雙包層PCF 設(shè)計(jì)，可以保證多模大功率激光泵浦時(shí)能量集中在纖芯。纖芯的輸出為高偏振光束，由于光束之間的互相耦合作用，使其相位保持相長相干狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多光束相干輸出，既具有優(yōu)良光束質(zhì)量，又可以很大的提高其輸出功率。