光纖激光器使用稀土摻雜光纖作為激活介質，用激光二極管作泵浦源，本身固有一些關鍵優勢，使它們在通過鎖模產生超短脈衝方麵頗具吸引力。摻雜光纖的高增益帶寬和效率，允許製造相對便宜、緊湊、堅固的光纖激光器係統，這些係統提供適合廣泛應用的光纖耦合輸出光束。
飛秒架構
光纖提供較高的表麵積 - 體積比，從而可實現有效的冷卻，並且可以根據特定性能參數進行定製。光纖激光器最初僅限於連續波（CW）、低功率、單模運行 ；經過了三十多年的發展，現在光纖激光器已經能夠實現單模和多模運行，波長範圍覆蓋紫外（UV）到遠紅外（far-IR）波段，並且能提供非常高的功率水平、可變的重複頻率，以及（也許的最顯著的）毫秒到飛秒級的脈寬。
不同於傳統的自由空間激光器，光纖激光器采用光纖和光纖布拉格光柵（FBG），後者取代了常規的介質反射鏡，用於光學反饋。大多數高功率光纖激光器采用雙包層光纖架構，其中增益介質在光纖的纖芯，由兩層包層包圍。來自激光二極管或另一個光纖激光器的多模泵浦光束，在內包層中傳播並受到外包層的約束，激發激活介質，並產生在光纖纖芯中傳播的激射模式。
為了產生超快激光脈衝，需要采用主動或被動鎖模技術。今天用於被動鎖模的一些技術，包括非線性偏振旋轉和飽和吸收技術，而電光或聲光調製器用於主動鎖模。
在半導體可飽和吸收鏡（SESAM）中，半導體量子阱生長在半導體分布式布拉格反射器上，SESAM 已成功地用於製造工作在1.0μm 和 1.5μm 波長處的飛秒光纖激光器。通過采用石墨烯可飽和吸收體的摻鉺（Er）光纖激光器，已經展示了自啟動鎖模和穩定的孤子脈衝產生。這些隻是商業激光器製造商正在采用的幾種飛秒光纖激光器架構，以滿足各種科學和工業應用。
非線性鎖模
對於可重複的長期穩定運行，德國Menlo Systems公司的“figure 9”技術采用行之有效的非線性光學環鏡（NOLM）鎖模機製。振蕩器和放大器均隻使用保偏光纖組件，實現高穩定性和低噪聲，運行免維護。
Menlo的摻鉺光纖激光器在中心波長1560nm和780nm處具有寬帶增益，提供標準和高功率型號，在50~250MHz 的重複頻率範圍內，具有 <90fs 的脈寬。Menlo 的摻鐿（Yb）Orange飛秒光纖激光器，工作在1040nm 和 520nm 波長處，平均功率>10W，並提供 <150fs 的脈寬。作為一家光學頻率梳開發商，Menlo 的所有激光器係統均能夠以高精度同步。這些係統廣泛用於光譜學、顯微、計量、引力觀測和材料加工領域。
BlueCut 包含一個振蕩器、一個配備脈衝拾取單元的放大器，以及用於高能量短脈衝的壓縮器，是 Menlo的工業級微焦耳光纖激光器係統。基於全光纖集成技術，該係統堅固、穩定，可用於微加工應用（見圖 1）。
光纖CPA
基於其光纖啁啾脈衝放大（FCPA）技術，美國IMRA America公司的 FCPA μJewel 係列，由具有足夠脈衝能量的摻鐿光纖激光器組成，甚至在1045nm 波長處（見圖 2）。FCPA 架構允許用戶在兩種模式下進行選擇 ：100kHz 或 200kHz 的重複頻率、高達50μJ 的高能量模式 ；以及1MHz下10W和20W的高平均功率模式。該選擇允許用戶根據應用需求，以更快的速率進行材料加工。
IMRA 的拉曼頻移技術，讓摻鉺拉曼頻移飛秒光纖激光器在 810nm波長處，產生了幹淨的脈衝形狀和光譜，從而使 Femtolite 光纖激光器能夠替代鈦藍寶石（Ti:sapphire）激光器——這類激光器一直是臨床和工業飛秒應用中的主力軍。在 810nm 和1620nm 波長處，Femtolite 的功率範圍覆蓋 150~200mW，這在太赫茲波產生和探測、多光子熒光顯微鏡，以及二次諧波成像中非常有用。
此外，飛秒脈衝可通過光纖傳送到最終用戶設備中。Femtolite FD係列提供光纖耦合輸出，重複頻率50MHz，平均輸出功率高達 1W。這種水平的脈衝能量，對於需要將飛秒脈衝光源靈活地集成到設備中的許多非線性成像或計量應用而言，已經足夠用了。
同樣地，光纖激光器啁啾脈衝放大器（FLCPA），也是美國 CalmarLaser 公 司 Cazadero 高 能 量（ 高 達30μJ）超快激光器的基礎，該激光器在 1μm 或 1.5μm 波長處產生超快脈衝（<0.5ps），重複頻率數百千赫茲。這些超快激光器產品可以輸出綠光（515nm）和紫外光（343nm），並能與該公司的 Bodega OPA 耦合，進而能在整個近紅外（near-IR）區域提供較寬的波長範圍。
Cazadero FLCPA 超快激光器始於 27MHz 的被動 SESAM 鎖模種子光纖激光器，采樣低至 120kHz 或更高。超快脈衝是通過頻率時間展寬（啁啾），使得通過高功率光纖放大器級、以較低的峰值強度進行放大。高達 30μJ 的短脈衝能量傳輸到自由空間中。這種 FLCPA 是固態飛秒激光放大器的一種具有成本效益的替代方案，用於精密生物醫學材料加工和納米結構化。
由於能夠產生超過 4000℃的高熔融溫度，可用於材料熔化、微結構操作或多材料合成，高功率飛秒光纖放大器已經被越來越多地用於材料加工和製造領域。2014 年，美國 LaserFemto公司首次實現了 0.5mJ 的飛秒光纖激光器，提升了基於光纖的飛秒技術的高功率極限。
被動鎖模
SESAM 被動鎖模技術也是Calmar 公司的 Carmel-CFL 超快光纖激光器種子平台的基礎。Carmel X 係列是高功率、風冷、780nm（以及可選的 1550nm）、基於光纖的飛秒激光器，輸出功率從 0.2W 到超過 1.0W（在1550nm 高達 2.5W ；見圖 3）。Carmel 激光器能提供 <90fs的脈寬，並且體積小巧，比許多Ti:sapphire 激光器更加緊湊，但是輸出功率水平卻之接近，能夠滿足一係列超快激光應用的需求，包括生物成像、多光子顯微、光學計量、3D 微打印、太赫茲成像和眼科學。
Carmel X 係列包括遠程數據采集、功率監控、係統診斷和二次諧波晶體的自動調節，實現長時間的使用壽命及 OEM 服務支持。對於多光子顯微應用，Carmel 超快激光器可用於細胞組織成像，提供最小的散射，並降低光損傷的風險。緊湊的激光頭及配套的鎧裝光纜，使其隻需要最少的光學元件就可以集成到現有的光學顯微鏡中。
另一種具有低相位噪聲和低時間抖動的被動鎖模、工業級飛秒激光器，是瑞士 onefive 公司的 Origami。其變換限製的孤子脈衝發射，在不同的波長和不同的重複頻率下，提供衍射極限的光束質量和指向穩定性。
為了能在惡劣環境中工作，Origami 封裝在采用風冷和密封外殼內，專為高穩定性和低漂移而設計。onefive 公司的 Origami（<100fs，高達 5nJ）、Origami HP（<100fs，高達100nJ） 和 Origami XP（<400fs） 等飛秒激光器產品，是超低噪聲計時和頻率梳應用的理想選擇。OrigamiXP（<400fs，>40μJ）非常適用於飛秒眼科學（LASIK 和白內障手術）和材料微加工應用。
多波長輸出
德國Toptica Photonics 公司的FemtoFiber 係列飛秒光纖激光器使用餌光纖和鐿光纖，能夠提供多種輸出選擇 ：1560nm/780nm、可見 / 近紅外可調諧輸出，紅外 / 近紅外超連續譜和短脈衝型號，可用於非線性顯微、雙光子聚合、時域太赫茲和阿秒科學應用，並且還可以用作種子激光器。
可飽和吸收鏡（SAM）鎖模和保偏光纖技術，使得交鑰匙型FemtoFiber ultra 係列可用於生命科學、阿秒科學、光學相幹斷層掃描（OCT），以及工業 / OEM 集成應用，這些應用通領域常缺乏具有激光專業知識的工程師。FemtoFiber 激光器的光纖振蕩器，可用於為一個或多個光學放大器提供種子源。同步的多個激光器係統，有益於諸如頻率計量和泵浦 - 探測實驗等應用。
Toptica FemtoFiber dichro 係列從同一孔徑輸出不同波長的兩路同步激光束。該平台設計上特別注重經常需要不止一種顏色的應用，如生物光子學應用，包括雙光子熒光和二次諧波產生（SHG）顯微。
FemtoFiber dichro bioMP 型號從一個孔徑發射亞 150fs 脈衝，輸出波 長 780nm（>500mW） 和 1050nm（>1000mW），可獨立調製強度、脈寬（啁啾）以及相應的脈衝間延遲，這些可調節的參數在活體細胞多色雙光子成像、寬帶相幹反斯托克斯拉曼光譜（CARS）、受激拉曼光譜（SRS）研究，以及泵浦 - 探測實驗和脈衝受激發射耗盡（STED）顯微（見圖 4）應用中，能夠大顯身手。
MOPA功率
英國 Fianium 公司（2016 年初被NKT Photonics 公司收購）的光纖激光器係列產品基於主振蕩功率放大器（MOPA）構建模塊，生產輸出皮秒或飛秒光學脈衝的鎖模激光器光源。Fianium 提供的高平均功率（>20W）和高能量係統，能以兆赫茲重複頻率到單次發射工作，光譜範圍覆蓋240~2500nm。
Fianium 公司的超連續譜（SC450-4）或“白光”光纖激光器發射超寬光譜，通常從紫外到超過 2μm，並具有激光般的光束質量。所有 Fianium 公司的超連續譜激光器，均以兆赫茲重複頻率提供皮秒脈衝，使它們與穩態應用中的 CW 源或壽命測量中的脈衝光源同樣有效。單個超連續譜激光器，配合可調諧濾光片使用，可以在一係列應用中取代無限數目的單頻激光器。Fianium 公司的 FemtoPower 激光器，采用被動鎖模 MOPA 結構，輸出波長 1064nm、具備高平均功率和固定重複頻率。也可以提供脈寬 200fs的 532nm二次諧波。
Fianium 公司可機架安裝的 HighEnergy係列光纖激光器，能夠提供高達 10μJ 的脈衝能量。其內部集成輸出調製器，允許用戶定製從單次發射到高達 1MHz 的連續模式的輸出。該產品線具有 <500fs 脈寬的選項，最大平均功率 2W，以及 <5ps 的選項產生 5W 的功率，適用於更高能量的應用，包括微結構和納米結構、組織消融和眼科手術。
LightWire FF1000 為非線性顯微（雙光子、SHG）應用進行了優化。高平均功率（1.5W）、短脈寬（80fs）以及良好的光束質量，結合在一起獲得樣品的銳利、明亮圖像。1030nm的激光發射波長，對深激發和收集來自組織的光都非常理想。飛秒脈衝的高峰值功率（625kW），也在許多其他非線性光學應用中有著廣泛的用武之地，如太赫茲產生或雙光子聚合。
基於完善的MOPA方案，立陶宛EKSPLA公司的 1030nm、平均功率 1.5W 的 LightWire FF1000 激 光 器，專門為非線性顯微（雙光子、SHG）應 用 進 行 了 優 化， 脈 寬 低 至 80fs。LightWire FF50 飛秒光纖激光器，能在1064nm 波長提供 <130fs 的脈寬，是傳統釹釔鋁石榴石（Nd ：YAG）激光器的低成本、緊湊及堅固的替代產品。
中紅外選擇以及更多
美國 IPG Photonics 公司的紅外脈衝光纖激光器，提供 1.03~1.06μm、1.55~1.65μm、2.09μm 以及 2.1~2.6μm的波長。非線性外部轉換產生綠光輸出，皮秒和飛秒脈衝選擇提供 1.5μm處達 10W、1.06μm 處達 100W，或者0.52μm 處達 5W 的二次諧波源。
這些飛秒選擇的範圍從 400fs 到600fs，重複頻率高達 3MHz，IPG 的CLPF 超快振蕩器提供 40fs 脈衝，在2.1~2.6μm 範圍內提供客戶選擇的固定波長，重複頻率 80~800MHz，輸出功率 2W。IPG 的超快放大器提供了在 2~3μm 光譜範圍內，實現數瓦輸出功率的能力。克爾透鏡鎖模振蕩器和超快放大器頭，由 IPG 的連續光纖激光器泵浦，滿足了一係列科學和生物醫學應用的需求。
所有的飛秒光纖激光器製造商繼續提升超快架構的性能，包括更寬的波長範圍、更短的脈衝以及更多的功率輸出選項，以應對下一代材料研究和加工的挑戰。（文/Subhash Singh，Nick Reilly，Chunlei Guo）
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