光纤激光器已然成为激光器中的主流，具有高度光纤集成化的特点，其性能往往优于传统固体、气体激光器，这得益于光纤的许多优点，例如易散热、光束质量好、使用寿命长、维护成本低等。光纤、光纤光栅与光纤放大器作为光纤激光器的核心器件，其发展水平也就决定了光纤激光器的发展成熟度，是国产化需要重点研究开发的对象。超短脉冲光纤激光器则需要更为强大的心脏，因其极高的峰值功率和相对很高的脉冲能量，因而对光纤器件提出了更高的要求。

　　光纤最基本的结构包括纤芯和包层，如图1所示。光能在纤芯中来回反射，每一次反射基本无损失，这是因为光纤利用了光的全内反射原理，当光从高折射率介质向低折射率介质入射时，在某些角度下光可以被完全反射。

　　而且光纤的玻璃透明度一般很高，光在光纤中无中继放大情况下可传输数百公里。而超短脉冲光纤激光器中的光纤往往具有“熊猫眼”或类似结构，如图2所示，目的是使光纤具有良好的偏振态保持能力，保证激光器中工作的激光具有单一的偏振态。

　　光子晶体是一种微纳结构被周期排列的材料，如同有序的晶体，故而得名。自然界中也存在光子晶体，例如蝴蝶翅膀上的微小鳞片是周期排列的，但翅膀五彩斑斓的颜色并不源自鳞片本身，而是光在周期排列的鳞片上发生衍射，某些光的反射被增强，即所谓光子带隙效应，于是才显现出这些光的颜色。光子晶体光纤正是利用了光子晶体材料，使得光纤具有丰富的结构和多样性的功能，图3即是一种光子晶体光纤。

　　在2000年左右，英国巴斯大学的Phillip Russell教授领导的研究小组在光纤中加入空气孔等微结构来改变光纤特性，报道了光子晶体光纤的重要特性与潜在应用[1]。光子晶体光纤可用于产生超连续谱、超短脉冲激光放大、激光传输等，光子晶体光纤已成为超短脉冲光纤激光器发展的关键基础材料。光子晶体光纤大致可分为两类，即全内反射型和光子带隙型。图3的光子晶体光纤属于全内反射型，其中的黑色孔洞中的物质一般是空气，空气具有极低的折射率，稀释了石英材料，降低了平均折射率，相当于是一种任意折射率的材料。而这种材料围绕在芯径周围，相当于光纤的包层，将光束缚于纤芯。另外，光子带隙型光子晶体光纤的工作原理相当于多层反射膜，如同蝴蝶翅膀，只有特定颜色的光可以被反射回纤芯，光因此被束缚在纤芯内。目前，一种空芯光子晶体光纤，由于结构简易且性能优异，受到了业内的重视，称为反谐振空芯光纤。图4（a）为安扬激光研制的反谐振空芯光纤，在纤芯直径40 μm的情况下依然可保持良好的模式质量，如图4（b）所示，并具有低传输损耗，如图4（c）所示。

　　由于大部分光分布在空气中，与玻璃介质接触的光功率占不到1%，因此反谐振空芯光纤的损伤阈值比一般实芯光纤要高，可作为高平均功率、高脉冲能量或高峰值功率的激光传输光缆。安扬激光的一款铠缆激光器FemtoYL®-20-C即采用反谐振空芯光纤制成的铠缆输出飞秒激光，铠缆输出最窄脉冲宽度达400 fs，最大单脉冲能量超过40 μJ，其脉冲峰值功率可达1亿瓦。

　　超短脉冲光纤激光器是实现精密激光加工的重要技术手段。为了获得高的脉冲能量，需要采用啁啾脉冲放大技术，首先对前端激光脉冲进行展宽。光纤激光器实现全光纤化具有巨大优势，例如可简化光路、便于维护等，脉冲展宽器也采用光纤器件是必然的选择。利用大展宽比啁啾光纤光栅实现脉冲展宽，是绝大多数超短脉冲光纤放大器系统所使用的技术方案，具有展宽比高，设计灵活以及可补偿高阶色散等优点。早在1996年，美国密西根大学的研究小组就实现了基于光纤光栅的啁啾放大系统[2]。该系统的结构如图5所示，由于器件的限制，系统中使用了大量的空间光路，并没有完全发挥全光纤结构的优点。

　　到了2007年，英国南汉普顿大学的研究小组报道了超过百瓦级输出功率的基于光纤光栅的啁啾放大系统[3]。该系统的结构如图 6 所示，它使用了与压缩器色散匹配的啁啾光纤光栅，将脉冲展宽至2 ns左右，再经过多级放大器放大至135 W，最后用空间压缩器将脉冲压缩至360 fs。该系统的展宽器部分为全光纤结构，充分发挥了光纤器件的优点。目前，基于图 6 结构的啁啾光纤光栅已广泛应用于超短脉冲光纤激光器产品中。

　　啁啾光纤光栅的制备需要对色散进行精确控制，同时，也要兼顾带宽、反射率等方面的要求，制造难度极大。当前有两种技术路线来制备大展宽比啁啾光纤光栅，一是相位掩模板技术，二是连续光纤光栅刻写技术。相位掩模板技术是常用的光栅刻写技术，通常使用紫外激光和相位掩模板来刻写光纤光栅。相位掩模板技术的优势是所制备的光纤光栅重复性较好、生产效率高，缺点是每个相位掩模板只能制备一种光纤光栅，且用于刻写大展宽比啁啾光纤光栅的相位掩模板制造难度大，价格高昂。连续光纤光栅刻写技术是利用紫外激光与光纤相对位置的改变来刻写光纤光栅。连续光纤光栅刻写技术相对灵活，通过位置控制，可以刻写出不同参数的光纤光栅。其难点在于运动控制复杂，对平台稳定性的要求较高。连续光纤光栅刻写技术的装置图如图7所示[4]。

　　作为不可替代的核心器件，大展宽比啁啾光纤光栅在过去只能依靠进口。安扬激光为了解决超短脉冲激光器核心器件的供应链安全问题，自主研发生产大展宽比啁啾光纤光栅，目前已实现完全国产化。安扬激光常用自制啁啾光纤光栅关键指标如下表：

　　人们对掺稀土光纤的深入研究源自19世纪80年代。英国南汉普顿大学光电子研究中心的David Payne教授领导的研究小组对掺稀土光纤及其应用进行了系统性的研究[5]。掺稀土光纤早期的应用集中于光通讯领域。其中的掺铒光纤放大器通常采用纤芯泵浦，即将单模泵浦光通过WDM耦合器耦合进入纤芯中。这种泵浦方式增益高、噪声低，但是单模泵浦功率低，不适用于高功率放大。到了1988年，美国的Elias Snitzer提出了包层泵浦的双包层光纤结构[6]。双包层光纤通常由掺稀土的纤芯，折射率比纤芯略低的内包层，和折射率比内包层更低的外包层组成。多模泵浦耦合进入内包层，并随着传输被纤芯吸收。高功率的多模泵浦可以有效放大单模纤芯里的信号，实现高功率输出，见图8[7]。

　　随着技术的不断成熟，连续光纤激光器的输出功率在不断提高。从2000年左右的百瓦级到2010年左右的万瓦级单模或近单模光纤激光器，实现了两个级数的增长。直到最近10年，光纤激光器的功率增速才逐渐放缓。超短脉冲光纤激光器也在向高平均功率、高能量和高峰值功率方向发展。为了便于实际应用，人们对掺稀土光纤与合束器焊接、端帽焊接以及进行散热封装处理，形成光纤放大器。

　　作为脉冲激光器中最核心的器件，光纤技术的发展在超短脉冲光纤激光器的技术突破中起到了决定性的作用。掺稀土技术和包层泵浦技术首先解决了高功率放大的问题。针对于超短脉冲光纤激光器所需要的高峰值功率、高脉冲能量导致的纤芯非线性效应问题，超大模场面积光纤必不可少。相对于连续激光，高功率脉冲激光对光纤的非线性阈值、损伤阈值有着更高的要求，不但要求光纤拥有超大的模场直径，同时要求极好的单模特性。现有商业化的芯径在10 μm-25 μm的大芯径有效单模光纤，主要采用阶跃型少模光纤，通过弯曲光纤滤除高阶模实现有效单模，但对于纤芯30 μm左右及以上的光纤来说，弯曲并不能有效剔除高阶成分。如果要实现30 μm-40 μm，乃至近百微米纤芯直径的单模光纤，用简单阶跃型光纤极难实现。超大模场掺稀土双包层保偏光子晶体光纤，这种技术集成度极高的超大模场光纤填补了这一空白。光子晶体具有特异的性质，并且通过对光子晶体结构和孔洞尺寸的控制能够实现比阶跃型光纤更精确的数值孔径控制，使得光子晶体光纤更易于实现大模场单模工作。得益于其优异的单模特性，超短脉冲光纤放大器更加稳定、可靠。经过二十余年的发展，国内外采用光子晶体光纤技术，实现了成熟的超大模场掺稀土光纤。目前，安扬激光的柔韧型大模场掺镱光子晶体光纤可以做到40 μm左右的纤芯直径，并具有良好的光束质量，如图9所述。

　　更大模场的棒状掺镱光子晶体光纤可以做到85 μm左右的纤芯直径，如图10所示，并具有M2因子小于1.1的极好单模特性。

　　这为超短脉冲光纤激光的大规模应用奠定了重要的物质基础。安扬激光常用自制掺稀土保偏光子晶体光纤关键指标如下表2所示：