自从 1961 年，美国光学公司的 Snitzer 和 Koester 报导了世界上第一台光纤雷射器以来，由于光纤雷射器具有光束质量高、成本低、转换效率高、稳定性好、体积小、兼容性强、寿命长、散热快等优点而备受关注。尤其是高功率的纳秒脉冲光纤雷射器，已经被广泛的套用于雷射加工、雷射测距仪、二次谐波的产生、军事等领域。因此，高功率纳秒脉冲光纤雷射器的研发和实用化技术已成为雷射技术领域的一个热点。

由于纳秒脉冲光纤雷射器具有如下优点：(1)光束质量高。光纤的纤芯直径在几个微米的量级，能大大的提高雷射器的光束质量，从而满足工业加工的高质量需求。(2)散热好。光纤雷射器的体积很小，无需庞大的水冷系统，高功率运转时也只需要风冷。(3)体积小。光纤具有良好的柔性，使得雷射器可以设计得相当小巧、结构紧凑、易于集成，并且在高冲击、强震动、高温度、大灰尘等相对恶劣的环境中也能工作。(4)良好的光谱特性。通过改变不同掺杂的增益光纤和与之相匹配的光纤元器件，可以实现不同波长的雷射输出。因此，研究纳秒脉冲光纤雷射器已成为当今的趋势。

在光纤雷射器中，主要通过调 Q 技术实现纳秒脉冲，调 Q 方式分为主动调 Q 和被动调 Q 两种。主动调 Q 技术主要是在腔内插入电光开关或声光开关调製腔内的 Q 值来产生短高强的雷射脉冲，产生的脉冲宽度从几十纳秒到几百纳秒。被动调 Q 技术主要是採用可饱和吸收体(半导体材料或者掺稀土的晶体薄片)进行调 Q。与主动调 Q 相比，被动调 Q 具有成本低廉、结构紧凑、峰值功率高、脉冲宽度窄等优点，因此採用被动调 Q 技术得到的窄脉宽、高重频、高功率光纤雷射器具有重要的实际意义。

纳秒脉冲光纤雷射器有许多优点：光纤可盘绕，雷射器具有更小的体积；不需要複杂的水冷设备，散热性能好；只需限制纤芯的尺寸就可获得非常好的光束质量；转化效率高；雷射器谐振腔简单，具有高的稳定性等。随着光纤雷射器的输出功率不断攀高，高功率脉冲光纤雷射器的套用前景一片光明。因此高功率纳秒脉冲光纤雷射器在雷射加工、光时域反射计(OTDR)、产生二次谐波、军事等领域有广泛的套用。

雷射加工具有加工对象广、变形小、精度高、公害小、节省能源、远距离加工、自动化加工等显着优点，对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等起着越来越重要的作用。因为 lμm左右波长的雷射很容易被金属、塑胶和陶瓷材料吸收，因此将波长 1μm 左右的窄脉冲雷射束聚焦到介质上，利用雷射束与物质相互作用的过程来改变物质的性质，可以对多种材料进行雷射加工。

与传统的 CO2和 YAG 雷射器相比，光纤雷射器输出的雷射模式非常好，聚焦后的光斑具有直径小、圆度高、能量稳定和轮廓规则清晰等特点，同时由于光纤雷射器的重複频率比传统雷射器高很多，在对深度、光滑度、精细度要求较高的领域有着不可替代的优势。因此 1μm 波段的纳秒脉冲光纤雷射器在雷射产品定标、精密切割、雷射雕刻、雷射焊接、精密打孔、雷射检测、微弯曲、雷射测量等领域有着重要的套用。 例如在材料加工方面，已有多家公司开发出商用高功率掺镱光纤雷射器，工作波长在 1060～1100nm，该种光纤雷射器的优点是：无机械或光学準直，全光纤结构，较高的光束质量，极大的传输功率密度，灵活的光纤传送器件，全部空气冷却，整机小巧，系统紧凑等。许多公司已纷纷採用这项新型掺镱光纤雷射器系统进行工业加工。

雷射测距仪是利用雷射单色性高、相干性好、方向性强等特点，来实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。

现在广泛使用的手持式和携带型测距仪的工作原理与雷达测距相似：测距仪向目标发射雷射脉冲信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。

高能量纳秒脉冲掺镱光纤雷射器输出的雷射打在非线性晶体上，可以产生二次谐波(倍频光)或者三次谐波(三倍频光)，从而产生可见光谱甚至紫外光谱区的雷射脉冲，从而拓展了雷射器的套用领域。Yanming Huo 等报导的採用40nm 波长调谐範围的调 Q 掺镱光纤雷射器与高非线性 KTP 晶体结合产生二次谐波，调 Q 光纤雷射器增益介质採用纤芯直径 7μm 的掺 Yb3+光纤，输出 脉冲重複频率 5kHz、脉冲能量 0.26-0.35mJ，实验的基频波长 l083nm，产生的二次谐波单脉冲能量为 17μJ，转换效率 7%。

高功率、高质量雷射武器一直是军事领域防御和进攻武器所研究的重点，高功率光纤雷射器以其高亮度、小照射面积、小体积等优点和性能越来越受到重视，并有取代目前看好的化学武器和生物武器的趋势。高功率光纤雷射器的输出能量高度集中，光功率密度可达到 MW/cm2，足以摧毁任何坚固的目标。它以每秒 30 万公里的速度在空中传播，瞄準目标时不需计算提前量，且射击时后坐力很小，可随意变换射击方向，精确打击目标的要害地位。目前，美国、日本等国的科学家都在致力于千瓦级雷射武器的研製工作。 综上所知，高功率纳秒脉冲光纤雷射器的套用领域非常宽泛，因此它的研究具有深远的现实意义，已成为当今国内外的研究热点。

光纤雷射器按雷射输出特性可分为连续光纤雷射器和脉冲光纤雷射器两种。其中脉冲光纤雷射器根据其脉冲形成原理又可分为调 Q 光纤雷射器(脉冲宽度为 ns 量级)和锁模光纤雷射器(脉冲宽度为 ps 或 fs 量级)。

国外开展调 Q 光纤雷射器研究的单位主要有英国 Southampton 大学、美国 Illinois 大学、台湾国立大学、美国 IPG 公司、德国 JENOPTIK 公司等。国内开展调 Q 光纤雷射器研究的单位主要有南开大学、天津大学、电子科技大学、上海光机所、西安光机所、北京工业大学等。 近几年典型的研究成果如下：

2000 年 9 月，台湾国立大学的 Ding-wei Huang 和 C.C.Yang 等人採用光纤输出的声光调製衰减器作为 Q 开关，在中心波长 1550.5nm 波段，获得了重複频率 5kHz，脉冲宽度 150ns，平均输出功率 15mW，单脉冲能量 3μJ 的调 Q光脉冲输出，该雷射器採用全光纤结构，声光调製衰减器由 FBG 和波长选择器组成，其中 FBG 作为谐振腔的腔镜，另外他们构想，如果选用更加匹配的尺寸和更合适的位置，用声光减震器进行调 Q，可能得到更高的消光比及更快的调製速度。

2001 年，英国 Southampton 大学的 C.C.Renaud 等採用 LMA 光纤作增益介质，採用声光调製器(AOM)调 Q，获得了重複频率 500Hz，单脉冲能量 2.3mJ的脉冲输出。同年，CLEO 会议上他们又採用双端泵浦大芯径掺 Yb3+双包层光纤(纤芯/内包层直径 60/300μm)，并在掺 Yb3+光纤端面熔接一段 3mm 长空心光纤的方法，减小了光纤端面损伤，并把光束质量 M2提高到 7。得到脉冲宽度 250ns，重複频率 500Hz，单脉冲能量 7.7mJ 的高能量脉冲输出，但他们的不足是：採用空间镜组，分离的元器件，系统不紧凑，容易受到外界干扰。

2002 年 6 月，德国 JENOPTIK 的 Limpert 等人报导了採用MOPA 技术获得 100W 高功率高脉冲能量纳秒脉冲光纤放大器的方法。用调Q 的 Nd:YAG 薄片雷射器作为种子源，用内包层为 D 型的 LMA 光纤作为放大增益介质，种子源输出的雷射经过隔离器耦合进增益光纤，增益光纤的另一端是 976nm 中心波长的泵浦源，泵浦光经过分光镜进入增益光纤，分光镜的另一端输出雷射。在 1064nm 处实现了最大平均功率 100W 的雷射输出，光-光转换效率 71%，当重複频率为 50kHz 时，单脉冲能量 2mJ，脉冲宽度 90ns，当重複频率为 3kHz 时，单脉冲能量 4mJ，脉宽缩窄到 50ns，该实验的种子源为固体雷射器，外加光纤放大器进行放大。该公司还将研製 1kW 的光纤雷射器，来满足更多领域的套用。

2003 年 1 月，安徽科技大学的王安廷、邢美术等人利用光纤 Mach-Zehnder干涉仪实现了全光纤化调 Q 雷射器，得到中心波长 1526.30nm，峰值功率3.4W、平均输出功率 1.8mW、重複频率 800Hz、脉宽 0.6μs 的雷射脉冲输出。雷射器腔形採用环形结构，但不足是得到的脉冲串不是很稳定，且脉宽较宽。

2004 年 8 月，美国 Illinois 大学的 Peter D.Dragic 採用环形腔和种子光注入的方式，用 AOM 进行声光调 Q，产生中心波长 1546nm，重複频率 500Hz、脉宽 1.85μs，单脉冲能量 1.2μJ 的光脉冲输出。他们得到了脉冲串比较稳定的结果，但从单脉冲图可以看出，雷射器内有很强的非线性效应。

2004 年 4 月，G.Ravet 和 P. Me´gret 等人报导了用瑞利反馈实现被动调 Q的全光纤拉曼雷射器，在泵浦功率 2.4W、全腔长 10km 的条件下，获得了中心波长 1550nm、峰值功率 1kW、脉宽 1ns 的巨脉冲输出。但它没有稳定的脉冲序列，产生的巨脉冲很容易把其它元器件打坏，系统很不稳定。 2004 年 7 月，D.Sabourdy 和 A. Barthe´le´my 等人採用调 Q 光纤雷射器相干合成方式，在中心波长 1530nm 处获得了脉宽 650ns，重複频率 10kHz，平均输出功率 17.6mW 的雷射脉冲输出。调 Q 光纤雷射器同样採用 AOM 声光调製器进行主动调 Q，採用了 Mach-Zehnder 干涉仪原理，两路脉冲雷射干涉输出，合成后的输出功率是单个调 Q 输出脉冲功率的 1.7 倍。本实验的特色是把两个调 Q 雷射器的输出雷射经过干涉併合成一束，此种合束的新方法为高功率单模脉冲雷射器带来了新的思路。

2004 年 7 月，A.Piper 和 D.J. Richardson 等人报导了高功率，高强度的毫焦量级调 Q 掺镱光纤雷射器。同时採用 975nm 和 915nm 的两个管子进行泵浦，用 40μm 大芯径的掺 Yb3+LMA 光纤做增益介质，通过 AOM 声光调 Q，获得了中心波长 1075nm，重複频率 10kHz、脉冲宽度 40ns、单脉冲能量 1.2mJ的脉冲输出，光束质量 M2高达 1.1。

2005 年，K.Vysniauskas 和 M. N. Zervas 等人报导了 MOPA 结构的高脉冲能量调 Q 光纤雷射器，在中心波长约 l070nm 处获得了重複频率 l0kHz，脉冲宽度约 40-50ns，单脉冲能量 1.lmJ 的雷射脉冲输出，实验採用种子光加一级放大的结构，种子光中同样採用 AOM 进行声光调製，採用小于 3m 的掺Yb3+GTwave spool 作为增益介质，放大器中选用 5m 长的掺 Yb3+GTwave spool作为增益介质，但实验中都是用镜子把泵浦光耦合进增益光纤，由于空间元器件较多，系统不太稳定。

2005 年 2 月，美国密西根州立大学的 Ming-Yuan Cheng 和 Almantas Galvanauskas 等人报导了在 200μm 纤芯多模掺镱光纤放大器中，用控制光束质量的方法实现高能量高峰值功率的纳秒脉冲输出。种子光也通过 AOM 声光调製实现稳定脉冲串，经多级放大，实现了高脉冲能量低重複频率的光纤雷射输出，重複频率小于 100Hz。中心波长 1064nm，脉宽 500ns 时的单脉冲能量高达 82mJ，脉宽 50ns 时的单脉冲能量为 27mJ，脉宽 4ns 时的单脉冲能量为 9.6mJ，峰值功率 2.4MW。通过最佳化光纤的盘绕，可以把光束质量从 25提高到 6.5，相应的传播横模的数量从≥200 缩减到≤20 个。 2006 年，法国 Limoges 大学的 D.Sabourdy 和 A Barthélemy 等人报导了採用微机电镜进行调 Q 的光纤雷射器。微机电镜(cro-electro-mechanicalmirmr)的原理是结合了微光学(micro-optics)和微机电系统，掺 Er3+光纤作为增益光纤，重複频率从20kHz到120kHz可调，泵浦功率100mW时，获得了最窄脉宽320ns，输出功率约为 30mW 的雷射脉冲输出。该系统结构简单，系统稳定，设计也很新颖，但是脉冲较宽，这将在以后的雷射器最佳化中予以改进。

2007 年 1 月，深圳大学的郭春雨等人，利用掺 Yb3+LMA 双包层光子晶体，光纤和声光调製器(AOM)研製了调 Q 光子晶体光纤雷射器。在 65kHz 的重複频率下，得到了最大平均功率 2.5w，脉冲宽度 120ns，峰值功率 320W，单脉冲能量 38.5μJ，中心波长 1038.4nm 的调 Q 单模雷射脉冲。本实验的特色採用光子晶体作为增益介质，由于光子晶体光纤其独特的波导结构，在具备大模场面积的同时，可维持高质量的单模雷射，但实验中产生多脉冲现象，这是因为本实验 Q 开关的断开时间较长造成的，因为在声光 Q 开关中，电子开关时间不是主要的，断开时间主要由声波通过光束的渡越时间决定。

2008 年，新加坡南洋理工大学的 X.P.Cheng 和 J. Zhang 等人，报导了採用切趾光栅和 π/2 相移光栅共同作用的全光纤掺 Er3+调 Q 环形雷射器。该实验在输出功率 72mW，波长 1480nm 的泵浦功率和压电陶瓷(PZT)调製频率l0kHz 时，获得了脉冲宽度 1μs、单脉冲能量 0.11μJ 的雷射脉冲输出，在 PZT调製频率 20kHz 时，获得了脉冲宽度 1.5μs、但脉冲能量 0.05μJ 的雷射脉冲输出。同年，X.P.Cheng 等人又报导了採用切趾光栅和两个惆啾光栅组成的 FP标準具共同作用的全光纤掺 Er3+调 Q 环形光纤雷射器。在 PZT 的调製频率为3.5kHz 时，得到了重複频率分别为 3.5kHz、7kHz、14kHz 的调 Q 脉冲输出，脉冲宽度分别为lμs、0.8μs、1.5μs，单脉冲能量分别为0.35μJ、0.17μJ、0.08μJ。他们也同样採用全光纤结构的环形腔，採用压电陶瓷的主动调 Q 方式，但得到的脉冲宽度稍微有点宽。