摘要：本文簡要介紹了有源光纖工作原理和應(yīng)用情況，以及未來發(fā)展趨勢，分析了光纖激光器對于有源光纖的需求、有源光纖制備技術(shù)方案的優(yōu)劣勢，對有源光纖未來發(fā)展及進(jìn)一步研制進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：激光器;有源光纖;摻鐿光纖;雙包層光纖

前言

激光是20世紀(jì)以來人類的最重要發(fā)明之一，是“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”以及“最亮的光”。著名的物理學(xué)家愛因斯坦于1917年在全新理論“光與物質(zhì)的相互作用”中提出了激光的基本原理-受激輻射[1]。在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的電子分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會從高能級躍遷到低能級上，這時將會輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個弱光激發(fā)出一個強(qiáng)光的現(xiàn)象，這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱激光。1960年美國科學(xué)家西奧多·梅曼率先用紅寶石晶體制造出第一臺激光器[2]，并獲得激光輸出。從第一臺激光器發(fā)明到現(xiàn)在過去了60多年，激光技術(shù)確如人們所期，應(yīng)用于各行各業(yè)并發(fā)揮出巨大作用，激光技術(shù)的發(fā)展引領(lǐng)了二十一世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命。

一、光纖激光器發(fā)展歷史及趨勢

光纖激光器以其效率高、體積小、散熱快、可調(diào)諧范圍大、光束質(zhì)量優(yōu)異、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于光通信、光譜學(xué)、激光傳感、激光醫(yī)療、工業(yè)加工、航空航天以及激光武器等領(lǐng)域。

光纖激光器最早出現(xiàn)在1961年，由美國科學(xué)家E.Snitzer采用摻釹(Nd3+)棒狀玻璃實現(xiàn)了波長1.06 μm 的激光輸出[3]。隨后幾十年，光纖激光器得到快速發(fā)展。目前，國際上光纖激光器巨頭美國IPG公司的單模光纖激光最高輸出功率已經(jīng)達(dá)到20 kW量級[4]，而多模光纖激光輸出功率則達(dá)到了100 kW量級[5]，引領(lǐng)了工業(yè)光纖激光器的發(fā)展。

光纖激光器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，泵浦光首先經(jīng)過耦合系統(tǒng)耦合進(jìn)入摻雜光纖，隨后摻雜纖芯中的稀土離子吸收泵浦光子能量發(fā)生能級躍遷顯現(xiàn)出激光輸出。 其關(guān)鍵部件為增益介質(zhì)，主要組成部分為采用摻雜稀土元素的光纖，一般稱為有源光纖，鉺(Er3+)、鐠(Pr3+)、銩(Tm3+)、釹(Nd3+)和鐿(Yb3+)等稀土離子都可作為摻雜物制成光纖，如圖2所示，不同稀土元素?fù)碛衅涮赜械哪芗墸僧a(chǎn)生不同的工作波長的激光，因此各光纖廠家根據(jù)用戶的應(yīng)用場景采用相應(yīng)的摻雜元素研制光纖，用摻雜光纖制作成對應(yīng)場景的激光器，例如用于激光切割的高功率激光器，采用摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，具有高功率、能量密度高等特點;用于智能駕駛的激光雷達(dá)，使用鉺鐿共摻的有源光纖作為增益介質(zhì)，具有信噪比優(yōu)秀、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點;而發(fā)射波長為2 μm的摻鈥光纖，因其對人眼的安全性，廣泛用于激光醫(yī)療領(lǐng)域。

圖1典型光纖激光器結(jié)構(gòu)及相關(guān)激光光纖示意圖

圖2 鐿、鐠、鉺、銩各稀土元素光纖元素輻射波段

有源光纖作為光纖激光器的核心組成部分之一，對其性能起到關(guān)鍵性的作用，歐美許多研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的研發(fā)工作，如美國Nufern公司和IPG公司、英國SPI公司、芬蘭LIEKKI公司、加拿大CorActive公司等幾家從事研發(fā)生產(chǎn)。其中美國IPG公司和英國SPI公司的產(chǎn)品均自產(chǎn)自用，不對外銷售，纖芯直徑大于25 μm的高功率激光光纖又在2014年和2015被列入了美國對華高科技出口管制的20類產(chǎn)品清單中，嚴(yán)重制約我國激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

國內(nèi)武漢睿芯、長進(jìn)激光、長飛光纖、烽火銳光、國防科技大學(xué)、中國工程物理研究院、上海光機(jī)所、中國電子科技集團(tuán)23所、46所等均開展了研究工作，其中，武漢銳科、長進(jìn)激光、長飛光纖以及烽火銳光部分已經(jīng)實現(xiàn)了多種型號有源光纖的量產(chǎn)及商用，已對國內(nèi)主流的光纖激光器廠家批量供貨。未來我國有源光纖將實現(xiàn)國產(chǎn)替代，實現(xiàn)高、中、低功率，從紫外到中紅外實現(xiàn)全型號覆蓋。

二、摻鐿光纖發(fā)展趨勢

摻鐿(Yb3+)光纖激光器以其穩(wěn)定性高、光束質(zhì)量好、斜率效率高等優(yōu)勢得到較快發(fā)展。摻鐿光纖相比于其他稀土離子摻雜光纖具有很多優(yōu)勢，Yb3+離子吸收帶如圖3所示，在800~1100nm范圍內(nèi)，能與ZnLnAs半導(dǎo)體泵浦源的發(fā)射光譜有效的耦合，同時其吸收帶較寬，在短波長(小于970nm)的吸收截面變化較為緩慢，這對于輸出波長因受到環(huán)境溫度影響且發(fā)射帶窄的半導(dǎo)體激光器泵浦非常有利，即無需嚴(yán)格控制環(huán)境溫度來獲得相匹配波長的半導(dǎo)體激光輸出。同時Yb3+能級結(jié)構(gòu)較為簡單，只包含兩個多重態(tài)，因此在泵浦波長及信號波長都不存在激發(fā)吸收。Yb3+光轉(zhuǎn)化效率很高，有較大的能級間隔，能排除非輻射弛豫及濃度淬滅現(xiàn)象發(fā)生。同時Yb3+材料產(chǎn)生的熱負(fù)荷較低，且熒光壽命長，有利于能量存儲。

圖3 雙包層摻鐿光纖吸收(實線)及輻射譜圖(虛線)

利用摻鐿光纖研制的光纖激光器具有較高的斜率效率和光光轉(zhuǎn)換效率，可以在1.06μm 波段得到高功率的激光輸出，因此受到廣泛關(guān)注并得到飛速發(fā)展，成為激光器產(chǎn)業(yè)中的主導(dǎo)力量，在工業(yè)加工、醫(yī)療和國防等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)大部分激光器生產(chǎn)廠家如銳科、大族、創(chuàng)鑫等的激光產(chǎn)品采用的摻鐿光纖的占比均很高。

光纖激光器本質(zhì)上是將低亮度的多模半導(dǎo)體泵浦光通過稀土摻雜的增益光纖轉(zhuǎn)換成高光束質(zhì)量、高功率的激光輸出。顯而易見，高質(zhì)量增益光纖對光纖激光輸出功率、光束質(zhì)量、激光性能和可靠性具有至關(guān)重要的影響。光纖材料的發(fā)展促進(jìn)了光纖激光器輸出功率的提升，同時光纖激光器的更新?lián)Q代也牽引著光纖材料的發(fā)展方向。光纖激光器在1961年面世時，由于當(dāng)時其增益光纖采用單包層單模光纖，泵浦光難以有效耦合進(jìn)光纖纖芯區(qū)域而造成其輸出功率較低。到20世紀(jì)80年代中末期，隨著光通信的快速發(fā)展以及稀土摻雜光纖、包層泵浦技術(shù)的提出和應(yīng)用，光纖激光器的輸出功率和效率得到了較大的提升。

雙包層技術(shù)最早由Snitzer等人[6]提出，由于單模光纖纖芯直徑較小，高NA值的泵浦光功率較難有效的耦合到纖芯中，雙包層光纖的特殊結(jié)構(gòu)解決了泵浦光難耦合到單模光纖纖芯內(nèi)的問題，通過泵浦光直接耦合到包層中，顯著提高了耦合效率及泵浦功率。雙包層光纖由纖芯、內(nèi)包層、外包層和涂層組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖4。纖芯由摻鐿的SiO2玻璃構(gòu)成，在光纖激光器作為激光介質(zhì)，也作為單模激光的波導(dǎo)。內(nèi)包層由純SiO2構(gòu)成，由于其面積和數(shù)值孔徑比纖芯大得多，可有效提高泵浦光的入射面積，因此可采用多個泵浦源。目前雙包層的內(nèi)包層常規(guī)直徑已達(dá)400μm(邊-邊距離)以上，外包層由低折涂層構(gòu)成。由于高功率激光器運(yùn)行中會產(chǎn)生高溫，部分光纖生產(chǎn)廠家為了提高光纖的穩(wěn)定性，會在內(nèi)包層外面再加一層摻氟層，形成三包層光纖，如圖5所示為典型的三包層摻鐿光纖端面圖。

圖4 雙包層有源光纖增益效果圖

圖5三包層光纖端面顯微照片

三、有源光纖制備工藝

有源光纖的制備工藝技術(shù)不僅是有源光纖性能的關(guān)鍵決定因素，也是各家特種光纖生產(chǎn)商的核心工藝技術(shù)，開發(fā)難度極大。目前常規(guī)的的制備工藝有氣相法、熔融法、溶膠–凝膠法(SOL-GEL) 以及液相法等。

氣相法又稱氣相沉積法，一般采用MCVD或者PCVD實現(xiàn)。選用高純度的氧氣作為載氣，將氣化后的螯合物氣體帶入反應(yīng)區(qū)沉積，通過提純反應(yīng)物的純度，達(dá)到嚴(yán)格控制過渡金屬離子和羥基的目的，可生產(chǎn)出高質(zhì)量的光纖，生產(chǎn)效率較高，光纖品質(zhì)也好。但目前該工藝也有不足之處，如原料昂貴，設(shè)備投資大、氣體輸送較難、玻璃組成范圍窄、摻雜濃度低、折射率調(diào)節(jié)范圍小等問題。

熔融法是通過混合多種高純玻璃粉末材料和稀土元素粉末，高溫熔化后冷卻制得摻雜玻璃預(yù)制棒，然后拉制成光纖的方法，該方法制備的光纖含稀土離子的摻雜濃度較高，但存在損耗較大，摻雜不均勻等問題，無法實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

溶膠–凝膠法[7]是將酯類化合物或金屬醇鹽溶于有機(jī)溶劑中形成均勻溶液，然后加入其它組分材料，在一定溫度下發(fā)生水解、縮聚反應(yīng)形成凝膠，最后經(jīng)干燥、熱處理、燒結(jié)等工藝制成摻雜玻璃預(yù)制棒，最后拉制成光纖。該法制備的光纖摻雜稀土元素均勻，反應(yīng)溫度低，但存在損耗大、機(jī)械強(qiáng)度差等問題，導(dǎo)致該法無法實現(xiàn)商業(yè)化。

液相法[8]是可分為在線和離線兩種模式，一般在MCVD的高純石英管內(nèi)沉積無摻雜的包層，然后降低溫度沉積疏松芯層，保證芯層具有良好的多孔性，然后放入含有稀土離子的溶液中浸泡，再進(jìn)行燒結(jié)處理。在線法不采取從MCVD取下襯管的方式，而是在高純石英管的一端放置一個小直徑的玻璃管，小玻璃管的一端通疏松芯層，另一端連接泵和稀土摻雜溶液，通過泵將摻雜溶液輸送到疏松芯層內(nèi)，一旦疏松芯層被整個浸泡，立即撤回傳輸玻璃管，并向石英管內(nèi)填充惰性氣流，整個過程中保持石英管旋轉(zhuǎn)。完成干燥后，燒結(jié)摻雜的疏松芯層為玻璃層，燒縮石英管、包層和芯層，即得到實心預(yù)制棒;而離線模式則通過火焰或者切割刀的方式，將沉積好疏松體的襯管取下，放置于配置好的摻雜溶液中，通過控制溫度、溶液濃度、浸泡時間等來控制摻雜，最后通過干燥裝置干燥后重新將襯管連接到MCVD上面進(jìn)行熔縮燒實成實心摻雜芯棒。這種方法制作的光纖損耗小，稀土離子的摻雜濃度比傳統(tǒng)MCVD法的高，而且可以通過多次浸泡進(jìn)一步提高摻雜濃度，摻雜均勻性、靈活性較好，且可摻雜含稀土元素的納米顆粒，使光纖具有較突出的光譜性質(zhì)，因而在實驗和商用稀土摻雜光纖的制作上得到廣泛應(yīng)用。

四、展望

目前，光纖激光器以雙包層摻鐿光纖為主，部分高功率激光器采用升級的三包層摻鐿光纖。三包層摻鐿光纖能有效的提升光纖激光器的斜率效率，減少激光器的發(fā)熱，提升激光器的熒光壽命。采用液相法制備的多組分摻鐿光纖，具有損耗低，摻雜均勻，光致暗化性能優(yōu)秀等特點，對我司研制有源光纖具有一定地指導(dǎo)意義。

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參考文獻(xiàn)

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[8] Webb, A.S., Boyland, A.J., Standish, R.J., et al. (2010) MCVD in-Situ Solution Doping Process for the Fabrication of Complex Design Large Core Rare-Earth Doped Fibers. Journal of Non-Crystalline Solids, 356, 848-851.