無論在基礎(chǔ)科學(xué)研究還是實際應(yīng)用中，光纖激光器都有其獨特的應(yīng)用。目前包括連續(xù)波、鎖模、調(diào)Q以及單頻設(shè)計在內(nèi)的多種光纖諧振腔型使不同性能的激光器大大增多。這些激光器利用光纖的波導(dǎo)特性提高增益，產(chǎn)生高光束質(zhì)量、低發(fā)散角的軸向光束。光纖的其他特性，如柱對稱結(jié)構(gòu)、可靠通用的制作過程等還有待于在新型的的光纖激光器中充分利用。

　　2006年，Shapira 等人提出了一種可沿著光纖表面徑向發(fā)射激光的新型光纖激光器。增益纖芯之外的包層構(gòu)成了高質(zhì)量的環(huán)形鏡，從而可在垂直光纖軸向的平面內(nèi)產(chǎn)生激光。理論上激光應(yīng)是柱對稱的，但利用軸向偏振光泵浦時由于柱狀諧振腔與增益介質(zhì)的相互作用，激光具有各向異性的波前。

　　Stolyarov等人在Nature Photonics上的文章報道了此方面研究的重要進(jìn)展：利用布拉格光纖獲得了各向同性的激光。在中空纖芯內(nèi)填入的有機(jī)染料(若丹明590)摻雜的增益介質(zhì)為角向各向同性。染料分子的快速重定位使增益介質(zhì)對泵浦光的偏振不敏感，激光具有嚴(yán)格的柱狀波前且沿幅角方向有精確的偏振。此外，研究者在光纖包層中引入軸向液晶微通道陣列對輻射方向進(jìn)行精確控制。有趣的是，沿光纖長度方向可移動增益介質(zhì)到任何位置，這使得其具有很多潛在應(yīng)用。

　　利用布拉格光纖產(chǎn)生光的諧振的激光系統(tǒng)與之前的系統(tǒng)大不相同。1978年Yeh和Yariv把布拉格反射理論拓展到柱狀結(jié)構(gòu)并預(yù)測多層環(huán)狀包層的光纖制作的可能，同時布拉格光纖也被首次提出。近幾年，基于布拉格光纖的高功率激光器的概念被提出，其可以自選模且在大芯徑時仍可單模運轉(zhuǎn)。

　　Stolyarov等人提出的新型光纖光源中對布拉格光纖的利用與以往不同，其多層環(huán)形布拉格腔鏡的反射具有雙重作用(圖1(a))，使Nd：YAG激光器產(chǎn)生的532nm的線偏振泵浦光沿軸向傳播同時染料摻雜區(qū)域的615nm的信號光沿徑向傳播。布拉格結(jié)構(gòu)由35層交替相疊的As25S75與聚碳酸酯組合而成，纖芯為染料摻雜的80μm的增益介質(zhì)。聚碳酸酯的外包層有負(fù)有碳棒的聚乙烯電極，通過改變電極上的電壓使通過液晶的激光的偏振狀態(tài)連續(xù)變化。

　　這種新型結(jié)構(gòu)與薄片激光器在一些光學(xué)特性上很相似。每層處于激發(fā)態(tài)的增益介質(zhì)與圓形的纖芯發(fā)射截面一起可看成發(fā)射激光的薄片。薄片中的光學(xué)諧振模式需要在柱對稱的邊界滿足麥克斯韋方程，其諧振腔通常可支持兩種諧振模式，一種為由m表示的幅角方向的模式，由于全內(nèi)反射可認(rèn)為其沿薄片內(nèi)部傳播，這類似于圣保羅教堂的聲學(xué)效應(yīng)，如圖2(左)。環(huán)向傳播的波需要滿足的周期性邊界條件使得有效腔長為2πR及c/2πR的頻率間隔，其中R為薄片的半徑，c為薄片介質(zhì)中的光速。這種模式與薄片的中間部分交疊極小，當(dāng)增益均勻分布時其對激光的特性僅有很小的影響，其產(chǎn)生也需要特殊的泵浦機(jī)制。當(dāng)m=－1，0或者1時會產(chǎn)生另一種徑向傳播的模式。反射鏡與薄片中心構(gòu)成諧振腔，有效往返腔長為2R。這種徑向振蕩模式的強(qiáng)度分布類似于水中的波紋，如圖2(右)。考慮高折射鏡情形，這些振蕩是具有c/2R頻率間隔的橫電模與橫磁模。薄片中橫磁模的產(chǎn)生需要很高的閾值增益，在增益對稱分布時，通常產(chǎn)生m=0時的橫電模，其遠(yuǎn)場光束僅包含幅角方向的電場。在Stolyarov等人的文章中這些特性均有提及。

　　與薄片激光器不同的是，表面發(fā)射型光纖激光器中徑向模式并沒有消失(圖1(a))。Stolyarov等人指出增益介質(zhì)中的泵浦深度為100μm，這表明空間大部分柱狀區(qū)域中存在相干輻射，面發(fā)射的同相激光具有低的軸向發(fā)散角，估計在10mrad左右，與通常的單模光纖激光相比低一個數(shù)量級，這使得更大發(fā)射面積的激光器的發(fā)展成為可能。

　　Stolyarov等人的研究提供了新型的全光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計，可產(chǎn)生具有波長可拓展性和波前位置、方向、偏振可控的高度相干的環(huán)狀光束。但表面發(fā)射光纖激光器仍有許多待改進(jìn)的方向，像連續(xù)波運轉(zhuǎn)、稀土摻雜介質(zhì)的設(shè)計。這種新光源有很多應(yīng)用，例如發(fā)光織品和發(fā)光藝術(shù)。醫(yī)學(xué)成像方面，應(yīng)用到層析成像上它可以有效的替代點光源。生物與化學(xué)系統(tǒng)方面，其可用來探測氣體。安全系統(tǒng)方面，比如具有任意光纖外形的紅外視野計，這種激光器同樣具有吸引力。

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2015-091801