摻鐿光纖概述

摻雜光纖是一種向常規(guī)傳輸光纖的石英玻璃基質(zhì)中摻入微量稀土元素（如鉺、鐿等）的特種光纖，它也是一種主動(dòng)光纖。因此可以說(shuō)，摻雜光纖是由摻雜物與作為宿主的光纖基質(zhì)組成的具有主動(dòng)特性的特種光纖。摻雜稀土元素的目的是，促成被動(dòng)的傳輸光纖轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹糯竽芰Φ闹鲃?dòng)光纖（Active Fiber）。由此可知，這種光纖的新特性——激光特性、光放大特性、磁光特性等均與摻雜稀土元素（離子）的種類(lèi)、性質(zhì)、濃度及其分布等密切相關(guān)。

稀土元素及摻 Yb3+離子激光材料的優(yōu)點(diǎn)

光纖中摻入稀土元素即可成為激光介質(zhì)，因此有必要了解稀土元素及其離子一些情況，以便能更好的了解摻雜光纖的性能。 稀土元素，即元素周期表中的鑭系元素。目前總共有 15 種，它們?cè)谥芷诒碇姓紦?jù)倒數(shù)第二行的位置，排首為元素鑭（La,原子序數(shù)為 57），排尾是镥（Lu，原子序數(shù)為 71）。從原子結(jié)構(gòu)上看，全部稀土元素都有相同的外電子殼層結(jié)構(gòu)，即 5S5P6S形式，屬于滿殼層結(jié)構(gòu)。鑭系元素彼此之間的的區(qū)別僅在于 4f 殼層的電子占有數(shù)，所以也可以說(shuō)，它們的光學(xué)性質(zhì)僅取決于 4f 殼層內(nèi)電子占有數(shù)的多少。已知稀土元素的離子多以三價(jià)形態(tài)出現(xiàn)，它們都是逸出 2 個(gè) 6s 電子和 1 個(gè) 4f 電子。由于剩余的 4f 電子受到電子殼層的屏蔽作用，所以它們的一些光學(xué)特性（如熒光特性和吸收特性等）不易受到外場(chǎng)的影響，即具有很好的穩(wěn)定性。

1878 年，瑞士化學(xué)家查爾斯（Jean Charles）和馬利格納克（G.de Marignac）在“鉺”中發(fā)現(xiàn)了一種新的稀土元素，為了紀(jì)念釔礦石發(fā)現(xiàn)地——斯德哥爾摩附近那個(gè)名叫伊特比（Yteerby）的小村，把這個(gè)新元素命名為 Ytterbium，元素符號(hào)為 Yb，漢譯名稱(chēng)為“鐿”—是該元素的專(zhuān)用漢字。鐿在鑭系元素中雖然排在銩之后，但其地殼豐度達(dá)卻到 3.3ppm，不但高于鋱鈥銩镥等其它中重稀土，甚至高于銪（2.2ppm）。鐿作為重稀土元素，由于可利用的資源有限，產(chǎn)品價(jià)格昂貴，限制了其用途研究。隨著光纖通訊和激光等技術(shù)的出現(xiàn)，鐿才逐漸找到大顯身手的應(yīng)用舞臺(tái)。摻 Yb3+硅酸鹽玻璃材料已引起世界各國(guó)材料科學(xué)家和工程物理科學(xué)家的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)前激光材料研究中的熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向，被認(rèn)為是新一代慣性約束he聚變領(lǐng)中的較佳激光工作物質(zhì)之一。

摻 Yb3+的激光材料比摻其它稀土離子的優(yōu)點(diǎn)在于： （1）Yb3+離子吸收帶在 800~1100nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)，能與 ZnlnAs 泵浦源有效地耦合，同時(shí)其吸收帶較寬，在短波長(zhǎng)段(小于970nm)的吸收截面變化較為緩慢，這對(duì)于輸出波長(zhǎng)易受環(huán)境溫度影響，且發(fā)射帶窄的激光器泵浦是十分有利的，即無(wú)需嚴(yán)格控制溫度來(lái)獲得相匹配波長(zhǎng)的激光輸出。

（2）Yb3+能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它只包含兩個(gè)多重態(tài)，因此在泵浦波長(zhǎng)處及信號(hào)波長(zhǎng)處都不存在激發(fā)態(tài)吸收。光轉(zhuǎn)換效率很高，而大的能級(jí)間隔，也排除了非輻射馳豫及濃度淬滅現(xiàn)象的發(fā)生。

（3）泵浦波長(zhǎng)與激光輸出波長(zhǎng)非常接近，量子效率高(可達(dá) 90%)。

（4）材料中的熱負(fù)荷低(小于 11%)。僅為摻 Nd3+同種材料的三分之一。

（5）熒光壽命長(zhǎng)，一般為摻 Nd3+同種材料的三倍多，有利于儲(chǔ)能。 摻 Yb3+激光材料的這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)激光技術(shù)的發(fā)展有深遠(yuǎn)的意義。在傳統(tǒng)的固體激光器中，增益介質(zhì)為長(zhǎng)棒狀，熱流方向垂直于激光束方向，易導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)和溫度升高，造成激光性能的劣化和激光效率的降低。特別是三能級(jí)激光系統(tǒng)，由于要求高的泵浦功率，熱效應(yīng)更加突出。由于 Yb3+摻雜濃度可以很高，材料中的熱負(fù)荷較低，即使在高泵浦功率密度下，材料中的溫度變化也很小，因此大大降低了增益介質(zhì)中的熱應(yīng)力和熱畸變。