经过了六十多年的长足发展，激光技术的应用日益普及，许多领域通过引进激光技术发展出众多新产品，使本领域的发展取得重大突破，这展现出激光强大的生命力和应用前景,吸引了越来越多的工作者投入激光研究工作，反过来，这又进一步促使激光技术的发展。

1.2选题背景

眼安全波段激光器的日益需求推动了掺Tm光纤激光器的发展。Tm的能级跃迁产生的激光在2 μm频带，激光波长的连续调节范围在1.8 - 2.1 μm。由于该波段在水中的吸收很强，并在大气中有很大的穿透能力，并且输出激光的方向性易操作，故被广泛应用于工业、农业、军事以及医学等领域。由于掺铥光纤激光器发射波长在大气光通信的低损耗窗口区( 1.9 - 2.5 μm )，故其本身可作为光通信的光源。并且由于激光的光谱很窄，在作为其它激光器的泵浦光时可实现高效率的泵浦吸收，因此掺Tm光纤激光器也常常被用作激光泵浦源泵浦固体工作物质如钬从而产生2.1 μm激光。

随着双包层光纤激光器的发展，掺铥光纤激光器已从刚开始的毫瓦级输出至百瓦级输出，在效率上、光束质量、常温工作和小型化方面都有很大的进步。在上个世纪八九十年代就已经有使用790 nm以及1.06 μm左右半导体激光器( LD )泵浦源的单包层掺Tm光纤激光器得到毫瓦级别的连续波。在当时，光纤都是使用硅基氟化聚合物包层的单模光纤，这一特点很大程度上限制了输出功率。如今的双包层光纤是由同心的纤芯、内包层、外包层以及保护层组成，内包层和外包层有同心的圆截面结构,纤芯与单模光纤纤芯一样, 具有很大的折射率, 其用来传输单模信号光，内包层具有和普通光纤的纤芯相同的材料, 它的折射率处于纤芯和外包层之间, 它用来传输多模泵浦光。外包层的折射率最小，内包层和纤芯构成一个大的纤芯, 用来传输泵浦光, 其以折线方式反复穿过纤芯并被掺杂吸收, 这样在纤芯中传播光的比例就会增加。它的光源使用多个多模激光二极管LD组成。由之而来的双包层光纤激光器不再要求泵浦源是单模的，而且光纤在整个的长度上被泵浦，特别是当纤芯和包层的对称性得到很小的破坏时，对泵浦光的吸收会大大增加，从而可以设计出各种形状的内包层，与作为泵源的激光二极管更好的匹配，使多模泵浦光更有效的耦合，将连续激光输出提高到几十瓦甚至上千瓦的量级。利用双包层光纤还可以制作调Q激光器，获得上千瓦峰值功率的脉冲输出。这种高功率、高能量包层光纤激光器在光通信、光传感、航天航空、生命科学、精密仪器加工等领域应用广泛。图1-1是双包层光纤的截面图。

图1-1 双包层光纤结构

现阶段包层泵浦技术的发展降低了对泵浦源的光束质量要求，使用大功率LD激光器或LD激光阵列以及双包层硅基光纤极大程度上提高了掺Tm光纤激光器的输出功率，斜率效率也与之得到提升，这两个特征是权衡光纤激光输出的重要标准。Tm3+离子在能级间的跃迁存在交叉弛豫和激发态吸收效应，图1-2为硅基掺Tm光纤在790 nm和1.064 μm的泵浦源泵浦下的能级跃迁图。

图1-2掺Tm光纤的1.9 μm CW激光

输出分别用790 nm 激光和1.06 μm

激光泵浦的能级跃迁图

1.3 国内外研究现状

1998年英国Jackson S D和King T A使用掺杂浓度为1.85 wt.%的双包层掺Tm增益光纤790 nm  LD泵浦源获得了波长2 μm功率为5 W的连续波，斜率效率为31%[1]。2000年英国 Nilsson J等人使用掺杂浓度为2.2 wt.%的双包层掺Tm增益光纤和双端泵浦的方式获得了14 W斜率效率46%的连续波[2]。2005年日本东京大学将掺Tm光纤切割成45°角，得到双包层环形腔11.5 W的连续波输出[3]。德国IPG.光子公司网站上报道使用790 nm LD激光阵列泵浦和光纤光栅谐振腔使激光输出功率达到150 W。现在已有论文报道有团队用二极管泵浦的掺Tm光纤激光器输出了高功率连续可调单一频率的激光。Ehrenreich T演示了一个功率为1 kW全玻璃掺Tm光纤，主控振荡器的功率放大系统，斜效率为53%。Darkson W A等人使用主控振荡器结构的功率放大装置成功获得100 W波长调谐范围达到190 nm ( 1820 - 2010 nm )的连续波。Gregorg D等人报道了一个四能级掺Tm光纤放大器线路发出的608 W的单频输出功率，有53 dB的增益，54%的斜效率，光束质量M2值为1.05。 2014年武汉洛芙科技有限公司使用激光种子源、隔离器、半导体激光器，正向耦合器、反向耦合器等得到100 W的全光纤掺Tm激光输出[4]。武汉光电实验室采用改进的化学汽相沉积工艺( MCVD )和相液相复合掺杂技术在MCVD机车上制得了掺Tm石英光纤预制棒以及掺Tm石英双包层光纤（芯包比10/125）[5]。在2015年报道了Yao Wang，Jianlong Yang等人使用级联串联泵浦结构得到了输出波长2 μm范围的激（~1900 nm→~1940 nm→~2020 nm），泵浦源使用2020 nm的掺Tm光纤激光器，光光转化效率为86.3%，输出的斜率效率高达91.7%，而输出功率也达到了34.68 W级别[16]。哈工大宋诗非通过种子光激光器实验得到多模激光最大输出功率39.4 W，斜效率34%，线宽小于2 nm的激光输出[16]。2016年以来国内关于掺Tm全光纤高功率激光器的相关报道较少，获得显著发展的全光纤实验都集中在国外，有报道称已有500 W以上的掺Tm光纤激光器输出。