超短脉冲在光纤放大过程中的不利因素
对于光纤激光器而言，激光的产生、放大、传输都在光纤内进行。光纤具有全反射、柔性波导、表面积体积比大等若干优异特性，使得光纤激光器具有能量转换效率高、输出光斑模式接近衍射极限、散热性能佳、方便集成等优势。因此，光纤激光器受到人们的重点关注，开始取代传统的固体激光器，并逐步在工业加工等领域大放异彩。但是，光纤这些特性也导致了一些不利因素，如何有效地避免以及抑制这些不利因素是搭建高功率超快光纤激光器时必须考虑的问题。
1. 放大自发辐射（ASE）
在光纤激光器中，光纤放大器是提升平均功率或脉冲能量的主要手段。振荡器输出的种子脉冲经过被泵浦源抽运的增益光纤时，受激辐射使种子脉冲被显著放大。但是，相对于种子脉冲而言，放大器的自发辐射效应无时无刻不存在。如果处于上能级的原子没有及时地被激发，它将自行落至下能级，产生自发辐射（ASE）。ASE是无方向、无偏振、相位随机的。而且由于自发辐射（ASE）所在波段有天然的竞争优势，导致其极易消耗上能级离子而被放大，这会严重降低激光放大器的泵浦/信号转化效率，也会降低放大脉冲的信噪比。
导致光纤放大器中自发辐射产生的原因主要有以下三点：振荡器输出种子脉冲功率太弱，大量处于上能级原子不能被有效激发；种子光中心波长与放大器增益介质辐射截面匹配度差；种子脉冲重复频率太低，相邻脉冲之间的间隔时间大于增益介质上能级原子寿命。针对上述原因，采用级联的光纤放大技术将低功率种子脉冲逐级进行功率提升，能有效抑制低功率种子脉冲导致的自发辐射；而采用滤波器来限制激光波长能有效降低因为种子光中心波长与增益介质辐射谱峰不匹配造成的放大自发辐射；而对于泵浦激光采用脉冲同步泵浦方式则可以有效降低ASE噪声，提高放大器的泵浦利用效率。
2. 非线性B积分
随着激光功率在增益光纤中不断增加，光纤非线性导致的相位累积越来越强，易造成激光频谱变化。其中自相位调制效应（Self-Phase Modulation，SPM）是最典型的一种非线性效应。SPM导致脉冲形状的改变，限制光纤激光器功率的进一步提升。源于光纤介质本身的非线性折射率n2，自相位调制效应的程度可由B积分表征。B积分的值为脉冲光强与折射率的乘积在其沿光纤传输路径上的积分，具有明显的叠加性。此外，B积分值还可以用来评价输出激光脉冲的光束质量。当B积分达到一定值后，激光脉冲在介质中传输时会发生自聚焦效应，造成激光放大器的光学损伤。为了避免激光脉冲在时域和频域上的畸变，研究人员认为应使激光放大器的B积分值≤1。
除了SPM效应以外，光纤放大器中非线性导致的其他效应还包括四波混频（Four Wave Mixing，FWM）、受激拉曼散射（SRS）以及受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）等。这些非线性效应严重影响激光脉冲的时频域演化，是导致脉冲及光谱展宽，脉冲、光谱分裂、相位噪声累积的主要诱因。
为了避免光纤中非线性效应带来的不利影响，研究人员提出了多种方法来控制激光放大系统的B积分值。根据B积分的定义，降低光纤长度、非线性折射率系数、以及放大脉冲峰值功率都能够有效抑制B积分的增长。因此，大模场、高增益系数的双包层光纤被广泛用于高功率超短脉冲放大系统中。而为了降低放大过程中脉冲峰值功率，啁啾脉冲放大和分离脉冲放大是两种有效地抑制放大过程中非线性累积的放大方法。
事实上，在光纤激光放大器中，非线性效应的累积并非全无用处。受限于激光器中增益介质的增益带宽，其输出脉冲光谱宽度通常小于增益带宽。在光放大器中，由于模式竞争的关系，输出脉冲光谱带宽可能会窄于入射脉冲。根据傅里叶变换极限脉冲理论，脉冲极限脉宽与光谱带宽成反比。显然，增益窄化并不利于更窄脉冲的获得。此时，非线性效应特别是自相位调制效应的光谱展宽效应对于抑制增益窄化，获得突破种子脉冲光谱带宽限制的更窄脉冲无疑是有利的。这也是非线性脉冲放大的核心思想。因此，合理地规避光纤非线性引起的不利效应，利用光谱变化带来的有益效果，能更有效地获得高质量、高功率的超短脉冲激光。
3. 受激拉曼散射（SRS）
在高功率光纤激光器中，光纤的几何波导结构是保证其近衍射极限的光束质量、无需水冷、结构紧凑等优势的关键因素。但这也是诸多不利因素产生的直接诱因。比如，即使功率很小的脉冲激光在光纤中传输时，激光与纤芯充分的耦合束缚，极易诱发诸多非线性效应。其中，SRS是高功率超短脉冲光纤激光器中较为常见的现象。
首先，光纤介质中SRS效应起源于光与石英玻璃晶格的相互作用，泵浦光激发的拉曼散射峰位于泵浦频率下移13.2 THz附近。研究表明，SRS具有明显的功率阈值特性，超过阈值后，拉曼频移成分（或斯托克斯波）将近似指数增长。此外，SRS过程具有级联效应，一阶斯托克斯波的光功率密度超过一定值后，会激发二阶斯托克斯波的产生；以此类推，高功率的超短脉冲光纤激光器中的SRS效应通常都以多级斯托克斯波的形式出现。因此，SRS效应会严重影响超短脉冲光纤激光器的信号光功率，导致能量大量分散于拉曼峰。在频域方面，SRS效应会导致输出信号光光谱上多个光谱峰的存在，严重展宽光谱。而在时域方面，信号光极宽的光谱会导致脉冲在色散介质中传输时加速展宽，且难以被光栅等色散补偿元件还原。
除了受功率诱发以外，光纤长度也是造成SRS效应凸显的主要诱因。因此，对于高功率超短脉冲光纤激光器中SRS的抑制可以从优化光纤长度、抑制非线性入手。通过采用更大模场直径的PCF作为增益介质以及缩短光纤长度，可以有效提高SRS产生阈值。此外，采用滤波器将SRS诱发的斯托克斯波直接滤除也是有效手段。
4. 模式不稳定性（TMI）
在高功率光纤飞秒激光器中，增大纤芯直径、降低功率密度是避免非线性效应累积的有效手段。然而，光纤纤芯越大，支持的输出模式也会越多。大芯径的单模光纤以及对光纤弯曲选模可以有效抑制高阶模式光的激发。近年来，大模场、高掺杂光子晶体光纤（PCF）技术的发展，已经将高功率光纤飞秒激光器的输出功率提升到百瓦甚至千瓦量级。但是，PCF本质上是一种多模的波导介质，其能够维持单模传输的原因是高阶模式光在纤芯传输时损耗更大或高阶模式并不在纤芯区域传输。因此，对于大纤芯直径的阶跃双包层单模光纤或是大模场的光子晶体光纤而言，绝对的单模传输是一种理想情况。信号光传输放大时通常都伴随着较弱的高阶模式光。
2011年，德国耶拿大学报道了高功率光纤放大器输出信号光的TMI现象，并首次对其进行了描述和讨论。实验中，发现这种高功率光纤放大器输出光束的TMI具有明显的阈值特性。当激光器输出功率低于阈值时，其输出光斑稳定，并表现出明显的单模特征。而一旦激光器输出功率超过阈值，输出模式随机改变为高阶模式，并伴随有明显的光斑质量退化以及毫秒时间尺度内的波动。由于TMI现象会直接导致高功率光纤激光器的光束质量恶化，影响输出功率的进一步提升，严重限制高功率光纤激光的应用。因此，近年来引起了研究人员的广泛关注。
由于大模场光纤本身的多模特性，信号光入射光纤纤芯时，基横模或一个或多个高阶模式的传输会同时存在。传输过程中，基横模和高阶模式之间的模式干涉难以避免，从而产生一种准周期干涉强度模式。这种强度干涉模式会以类似的模式消耗纤芯中的上能级离子，使得纤芯中温度轮廓也呈现出一种准周期特性。然后通过热光效应，导致光纤沿长度展开方向形成准周期性的折射率变化。增益光纤这种折射率周期性调制的特性使其表现出光纤光栅的特性，使得信号光在干涉的模式之间传递能量。这种折射率导致的光纤波导结构的变化，导致其中传输的信号光可以在基横模和高阶模式之间准周期性地传递能量。也就导致了TMI现象输出光束在基横模和高阶模式直接的往复切换。
基于对TMI现象大量的理论及实验研究，研究人员提出了一些方法来抑制高功率光纤激光器中的TMI以及提高TMI产生的阈值。追根溯源，大模场直径增益光纤本质上的多模特性导致信号光传输模式之间的耦合干涉，形成周期性的热致长周期光栅是导致TMI产生的根本原因。因此，对于TMI现象的抑制可以从消除长周期光栅、减小量子亏损等方面入手，相关的方法也确实成功地将TMI的阈值提高了2~3倍。但是，抑制TMI最有效的方法还是改变光纤的基底材料。如使用热传导能力更强或是热光系数更小（镱铝石榴石）等材料来制造光纤，有可能将TMI的阈值提高一个数量级。
5. 端面反射
高功率光纤激光器中通常采用双包层光纤作为放大器的增益介质，放大后的脉冲激光直接从双包层光纤输出至自由空间。因此，对于双包层光纤的端面处理对于激光放大系统至关重要，端面处理不当的话，轻者造成严重的端面反射，影响放大系统的效率；严重的话会造成双包层光纤损毁，甚至光纤端面有杂物导致光纤烧毁。除此之外，双包层光纤端面处理不当的话，造成的反向传输激光返回前级放大器或振荡器，导致激光振荡器锁模状态的紊乱甚至丢失，严重威胁整个激光放大系统中各个光学元件，造成不可恢复的损伤。
对于光纤放大器中双包层光纤，通常要对其输出端面或者输入输出端面都采用切斜角的处理方法。斜角的角度通常为6-10°，太小不能有效地抑制端面反射，太大则会影响信号光的耦合效率。此外，对于大模场的双包层光子晶体光纤，其纤芯周围存在周期性排布的空气孔，能够将信号光束缚于纤芯传输。针对其输出端面通常还需额外采取塌缩以及加输出端帽的方式来提高其损伤阈值，保护激光放大系统。
