1962 年，H. W. Etzel 等人就实现了在掺 Yb3+玻璃中的激光产生。在激光发展的初期，Yb 离子并没有得到应用，而掺钕离子（Nd3+）激光介质得到了迅速的发展。后来 Yb 离子只是作为一种激光的激活离子，与其他稀土离子共掺，以此来提高其他离子的吸收效率。

在激光器发明不久后，在 1961 年美国的 Snitzer 报道了世界上第一个稀土离子在玻璃中产生激光现象，并提出了光纤激光器方面的设想。他采用氙灯泵浦钕钡冕玻璃介质，实现了波长为 1.06μm 的激光输出。

1962 年，H. W. Etzel 等人就实现了在掺 Yb玻璃中的激光产生。在激光发展的初期，Yb 离子并没有得到应用，而掺钕离子（Nd）激光介质得到了迅速的发展。后来 Yb 离子只是作为一种激光的激活离子，与其他稀土离子共掺，以此来提高其他离子的吸收效率。

1989 年，英国Sounthampton 大学的Hanna 研究小组首次报道了掺镱单模光纤激光器获得连续激光输出。Hanna 采用 840nm 的染料激光器作为泵浦源，实现了4mW 的激光输出，相对应的其斜率效率为 15% 。同时实现了输出激光在1015-1140nm 范围内可调谐。尽管当时实验中光纤的吸收效率较低，但 Hanna 这一工作使人们认识到镱离子的独特优势。

1989 年，英国电信实验室的 J. R. Armitage 等人使用 8.6cm 的掺 Yb3+光纤作为增益介质，泵浦源采用 890nm 的 AlGaAs 半导体激光器，实现了镱离子三能级激光跃迁输出激光，斜率效率接近40%。

随着人们对镱离子的关注，科学家们开始对 Yb特性进行深入研究，Yb的能级结构，基态2F7/2 和激发态2F5/2 这两个能级族是镱离子中参与激光产生的主要能级。在室温（25℃）下，由于强烈的均匀和非均 匀展宽，Yb离子在基态斯托克能级中有三个支能级，其中有两个支能级能被分开，分别为 a、b 能级；激发态有两个斯托克能级，其中只有一个 e 能级被分开，因此镱离子具有连续的吸收光谱和辐射光谱。

英国南安普顿大学的 Hanna 等人利用掺 Yb石英光纤的光谱特性，采用多种泵浦方案实现了激光器的运转。Hanna 使用 FP 腔结构，将光纤的一端紧贴高反射率镜，另一端利用光纤端面自身的 4%反射率构成谐振腔，使用波长900nm泵浦源，光纤长度为0.5m。最大输出功率为15.7mW，输出波长为 1036nm，斜率效率为 77%。 随后，Hanna 等人使用掺Yb3+光纤还实现了在1083nm 的激光功率放大。

该小组还发现了不同成分掺镱石英光纤镱离子（介于 1%和 90%比例之间）的一小部分激发态的寿命具有很小的值。这意外的行为可能是一个尚不明确的杂质或结构上的缺陷（色心）引起。它可以严重降低了掺镱激光器和放大器的性能（包括 ER/Yb共掺光纤作为通信放大器），特别是如果泵或信号波长 976 纳米左右。Hanna 小组测试 Yb 离子在激发态的寿命约为 0.76ms。

此外，法国的科学家也开展了很多工作。例如：1993 年，Bayon 在首次实现了在掺镱光纤中刻写光纤光栅，并以光纤光栅做腔镜，实现了激光波长在 1020nm 的高功率（> 0.2 瓦）和高量子效率（> 80%）石英光纤激光器，泵浦波长范围为 850nm。2002 年，S. Magne 对掺镱光纤的发射和吸收截面进行研究，得出实验数据，并得出激发态寿命和自发辐射寿命。通过这些数据，建立光纤激光器的增益模型，并且优化了泵浦光为 976nm 的三能级光纤激光器的光纤长度。

随着大功率半导体激光器以及掺杂稀土离子的双包层光纤制作工艺的日渐成熟,光纤激光器得到了迅速的发展。脉冲激光输出的光纤激光器由于具有接近衍射极限的良好的光束质量、较高的单脉冲能量、体积小等优点,在激光加工、光纤通信、医疗以及非线性光学等领域得到了广泛的应用。掺Yb双包层光纤是在1um波段获得高功率激光输出的最重要的产品之一。

1985年,南安普顿大学的Poole等用化学气相沉积法(MCVD)制成了低损耗的掺铒光纤,并用这种单模光纤研制了光纤激光器,使得光纤激光器得到了迅速地发展。

双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破，它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实。自1988年Snitzer首次描述包层泵浦光纤激光器以来，包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域，成为制作高功率光纤激光器的首选途径。包层泵浦的技术基础是利用具有两个同心纤芯的特种摻杂光纤。一个纤芯与传统的单模光纤纤芯相似，专用于传输信号光，并实现对信号光的单模放大，而另一个大的纤芯则用于传输不同模式的多模泵浦光。这样，使用多个多模激光二极管同时耦合至包层光纤上，当泵浦光每次横穿过单模光纤纤芯时，就会将纤芯中稀土元素的原子泵浦到上一能级，然后通过跃迁产生自发辐射光，通过在光纤内设置的光纤光栅的选频作用，特定波长的自发辐射光可被振荡放大而最后产生激光输出。目前，该技术被称为多模并行包层泵浦技术，法国Keopsys公司在该技术上申请了专利，称为V沟槽技术。

多模并行包层泵浦技术特性决定了该类激光器有以下几方面的突出性能。

(1)高功率。一个多模泵浦二极管模块组可辐射出100W的光功率，多个多模泵浦二极管并行设置，即可设计出很高功率输出的光纤激光器。

(2)无需热电冷却器。这种大功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作，只需简单的风冷，成本低。

(3)很宽的泵浦波长范围。高功率的光纤激光器内的活性包层光纤掺杂了铒/镱稀土元素，有一个宽且又平坦的光波吸收区(930~970m),因此，泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置。

(4)效率高。泵浦光多次横穿过单模光纤纤芯，因此其利用率高。

(5)高可靠性。多模泵浦二极管比单模泵浦二极管的稳定性要高出很多。其几何上的宽面就使得激光器的断面上的光功率密度很低，且通过活性面的电流密度也很低，这样可使泵浦二极管的可靠运转寿命超过100万小时。

目前实现包层泵浦光纤激光器的技术概括起来可分为线形腔单端泵浦、线形腔双端泵浦、全光纤环形腔双包层光纤激光器三大类，不同特色的双包层光纤激光器可由该三种基本类型拓展得到。

双包层光纤激光器的主要系浦源是大功率的多模半导体激光器。一种为Oclaro公司的带尾纤输出的多模带保护半导体激光器,输出波长为975nm,输出最大功率为25W,实验中是作为种子源的系浦源。另外一种是JDSU的带尾纤输出的单管多模半导体激光器,中心波长为915nm,最高输出功率为10W,实验中是做为放大器的泵浦源。这两种半导体激光器的输出光纤尺寸均为105/125^im,NA为0.22,输出光纤为裸纤,容易与标准光纤器件进行辉接,并且在1.06|am附近均镀了保护膜,可以防止光纤中产生的激光返回到泵浦源中损坏半导体激光器。

经过几十年的发展,光纤激光器的包层泵浦方式主要采用端面泵浦技术、V型槽侧面系浦技术、角度侧面系浦精合、嵌入反射镜式泵浦祸合、多模光纤融锥侧面系浦技术以及GT--Wave光纤式泵浦技术等。其中,端面泵浦技术最为简单,系浦光经过一个聚焦透镜后赖合到双包层光纤的内包层中,选择合适的聚焦透镜可以提高祸合效率。这种泵浦方式比较适合于实验室使用,可以选择正向果浦、反向录浦或者是双向泵浦三种方式。但是利用这种泵浦方式的光纤激光器与其他光纤器件无法直接融合,需要通过空间耦合,因此对环境要求比较高,稳定性较差。而使用尾纤输出的光纤器件可以有效地解决这一问题,带有尾纤输出的系浦半导体激光器可以直接熔接,便于实现光纤激光器的全光纤化,且容易与其他的光纤器件相匹配。

1985年,南安普顿大学S.B.Poole等人成功制成了低损耗掺杂稀土离子的光纤，随后该小组又利用掺Er光纤研制了掺铒光纤放大器(EDFA),使光纤通信真正发展起来。在研究EDFA的同时,人们发现有很多其他的稀土掺杂离子能够产生激光,例如Er、Nd、Yb、Tm等掺杂离子,因此将目光转向掺杂这些稀土离子的光纤放大器的研究,期望得到相应波长的高功率激光输出。在后来的研究中,人们发现掺Yb光纤具有很多优势,利用掺Yb光纤研制的光纤激光器具有较高的斜率效率和光光转换效率,可以在1um波段得到高功率的激光输出,从而使掺Yb的光纤激光器迅速发展起来。本论文主要研究的是利用掺Yb光纤实现高功率的脉冲激光输出。

与其他掺杂离子相比,掺Yb光纤具有诸多优点,首先其能级结构简单,只有两个多重态展开的能级:基能级2F7/2和上能级2F5/2。与氟化物材料相比,石英坡璃是Yb离子首选的基底材料,掺杂在石英坡璃中,由于石英坡璃中电场分布不均匀,Yb离子的能级会发生明显的Stark分裂,使基级变成四个分裂能级,上能级变成三个分裂能级。两个能级间隔较远,约在1000cm左右,难以发生交叉地豫现象,可以有效抑制浓度淬灭效应,由于没有更高的能级结构而没有激发态吸收(ESA)。

与其能级结构想对应的石英光纤中的Yb离子的吸收和发射截面,Yb离子具有很宽的吸收谱线,在915nm和975nm附近有两个吸收峰,在975nrn和1040nm附近有两个发射峰。Yb离子在975nm处的吸收截面很高,比在915nm处约大三倍,选用975nm的半导体激光器作为泵浦源有利于缩短腔长,但是其吸收谱很窄,受泵浦激光波长变化影响很大,因此需要进行严格的温度控制。相比之下,采用915nm输出的半导体激光器作为泵浦源时,泵浦波长漂移几个纳米对Yb离子的吸收影响不大,因此不需要温度控制。

Yb 离子的能级结构很简单，只有两个多重态展开的能级2F7/2和2F5/2，由于 Stark 效应，2F7/2展宽成四个子能级，2F5/2则展宽成三个子能级，由于 Yb 离子的能级结构中没有其它的上能级存在，因此在泵浦波长和激光波长处不存在激发态吸收。正因为它的粒子损耗很小，使得激光器在高功率运转情况下有较高的转换效率和较低的热效应；而且 Stark 能级的展宽使得激光器的增益带宽很大(975nm~1200nm)；Yb离子的上能级寿命比较长(通常在1毫秒左右)，上述因素都有利于调 Q 技术。然而这种很小的粒子损耗同样有它的弊端——在短波长有显著的三能级行为。激发态2F5/2的 Stark 子能级 e 和 f 分别对应于 975nm 和 915nm 的吸收峰，而波长 915nm 的泵浦到能级 f上的粒子会快速地无辐射跃迁弛豫到能级 e 上。从能级 e 到基态2F7/2可发生两种不同类型的激光跃迁：

(1)三能级跃迁：激光波长为 975nm(从 Stark 能级 e 跃迁到 Stark 能级 a)；

(2)四能级跃迁：激光波长从1010nm 到 1200nm(从Stark 能级 e跃迁到 Stark能级 b、c、d)。

一般地，激光器工作在三能级系统还是四能级系统与激光波长、抽运波长及光纤长度有关。大致可以认为工作波长在 1μm 以下时，激光系统以三能级工作，工作波长在 1μm 以上时，激光系统以四能级工作。本文主要涉及光纤激光器的工作波长在 1μm 以上，因此以四能级系统为模型。

在室温下，Yb 离子的吸收截面和发射截面，吸收峰主要对应于波长 915nm(谱宽大约为 50nm)和波长 976nm(谱宽大约为10nm)，发射峰对应于三能级的 975nm(谱宽大约为 10nm)和四能级的 1036nm(谱宽大约为 50nm)。由于它的吸收谱带较宽，使得泵浦光源的选择具有更多的灵活性，而宽的发射谱带利于实现很宽的波长调谐范围和超短光脉冲的激光输出。还可以看出，在 975nm 处的吸收峰和发射峰重合，因此，当用 915nm 的半导体激光器泵浦时，在 976nm 处会出现很强的放大自发辐射(ASE)效应；而用 980nm的半导体激光器泵浦时，虽然泵浦的效率会降低，但能有效地抑制 975nm 处很强的放大自发辐射(ASE)效应；正因为 980nm 泵浦波段靠近吸收峰和发射峰，使得它的泵浦效率随波长变化明显。