更新时间：2022-08-25 11:20
掺杂光纤是一种向常规传输光纤的石英玻璃基质中掺入微量稀土元素（如铒、镱等）的特种光纤，它也是一种主动光纤。因此可以说，掺杂光纤是由掺杂物与作为宿主的光纤基质组成的具有主动特性的特种光纤。掺杂稀土元素的目的是，促成被动的传输光纤转变为具有放大能力的主动光纤（Active Fiber）。
掺杂光纤是一种向常规传输光纤的石英玻璃基质中掺入微量稀土元素（如铒、镱等）的特种光纤，它也是一种主动光纤。因此可以说，掺杂光纤是由掺杂物与作为宿主的光纤基质组成的具有主动特性的特种光纤。掺杂稀土元素的目的是，促成被动的传输光纤转变为具有放大能力的主动光纤（Active Fiber）。由此可知，这种光纤的新特性——激光特性、光放大特性、磁光特性等均与掺杂稀土元素（离子）的种类、性质、浓度及其分布等密切相关。
光纤中掺入稀土元素即可成为激光介质，因此有必要了解稀土元素及其离子一些情况，以便能更好的了解掺杂光纤的性能。 稀土元素，即元素周期表中的镧系元素。目前总共有 15 种，它们在周期表中占据倒数第二行的位置，排首为元素镧（La,原子序数为 57），排尾是镥（Lu，原子序数为 71）。从原子结构上看，全部稀土元素都有相同的外电子壳层结构，即 5S5P6S形式，属于满壳层结构。镧系元素彼此之间的的区别仅在于 4f 壳层的电子占有数，所以也可以说，它们的光学性质仅取决于 4f 壳层内电子占有数的多少。已知稀土元素的离子多以三价形态出现，它们都是逸出 2 个 6s 电子和 1 个 4f 电子。由于剩余的 4f 电子受到电子壳层的屏蔽作用，所以它们的一些光学特性（如荧光特性和吸收特性等）不易受到外场的影响，即具有很好的稳定性。
1878 年，瑞士化学家查尔斯（Jean Charles）和马利格纳克（G.de Marignac）在“铒”中发现了一种新的稀土元素，为了纪念钇矿石发现地——斯德哥尔摩附近那个名叫伊特比（Yteerby）的小村，把这个新元素命名为 Ytterbium，元素符号为 Yb，汉译名称为“镱”—是该元素的专用汉字。镱在镧系元素中虽然排在铥之后，但其地壳丰度达却到 3.3ppm，不但高于铽钬铥镥等其它中重稀土，甚至高于铕（2.2ppm）。镱作为重稀土元素，由于可利用的资源有限，产品价格昂贵，限制了其用途研究。随着光纤通讯和激光等高新技术的出现，镱才逐渐找到大显身手的应用舞台。掺 Yb3+硅酸盐玻璃材料已引起世界各国材料科学家和工程物理科学家的广泛关注，成为当前激光材料研究中的热点和重要发展方向，被认为是新一代惯性约束核聚变领中的最佳激光工作物质之一。
掺 Yb3+的激光材料比掺其它稀土离子的优点在于： （1）Yb3+离子吸收带在 800~1100nm 波长范围内，能与 ZnlnAs 半导体泵浦源有效地耦合，同时其吸收带较宽，在短波长段(小于970nm)的吸收截面变化较为缓慢，这对于输出波长易受环境温度影响，且发射带窄的半导体激光器泵浦是十分有利的，即无需严格控制温度来获得相匹配波长的半导体激光输出。
（2）Yb3+能级结构简单，它只包含两个多重态，因此在泵浦波长处及信号波长处都不存在激发态吸收。光转换效率很高，而大的能级间隔，也排除了非辐射驰豫及浓度淬灭现象的发生。
（3）泵浦波长与激光输出波长非常接近，量子效率高(可达 90%)。
（4）材料中的热负荷低(小于 11%)。仅为掺 Nd3+同种材料的三分之一。
（5）荧光寿命长，一般为掺 Nd3+同种材料的三倍多，有利于储能。 掺 Yb3+激光材料的这些优点对激光技术的发展有深远的意义。在传统的固体激光器中，增益介质为长棒状，热流方向垂直于激光束方向，易导致热透镜效应和温度升高，造成激光性能的劣化和激光效率的降低。特别是三能级激光系统，由于要求高的泵浦功率，热效应更加突出。由于 Yb3+掺杂浓度可以很高，材料中的热负荷较低，即使在高泵浦功率密度下，材料中的温度变化也很小，因此大大降低了增益介质中的热应力和热畸变。
玻璃是形成掺稀土元素光纤的基质材料，它所具有的网络结构具有近程有序而远程无序的特点。它由大量的共价键分子所组成，形成一个无规则的矩阵，具有较宽的键长和键角范围，仅在外场小的区域范围内表现出一定的规则性，掺杂稀土离子在该网络中通常以网络修饰离子的形式存在。稀土离子作为网状系统的调节剂存在或者填隙式的存在于网状物中。光纤激光器的光学特性由稀土离子控制，但基质材料对其光学特性也有着重要的影响，如结电场非均匀性分面引的 Stark 分裂、电场非均匀引能级扰动，声子振动能级增宽等。光纤的基质材料一般是由石英玻璃构成，芯层中还掺入 GeO2，P2O5来提高芯层的折射率。芯层中共掺 Al2O3可以降低光纤的传输损耗，也可以提高稀土掺杂离子的掺杂浓度，同时近年来，许多优秀的材料也被用来研究，如氟化物玻璃光（ZBLAN）、有机聚合物，在纤芯中掺入染料或者稀土离子。硅基光纤一般其内包层为纯石英，外包层是折射率低于石英的聚合物，要求对泵浦光有较小的背底损耗。 基质对稀土元素光谱性质的影响主要表现在两个方面：
（1）引起 Stark 分裂。由于电场的非均匀分布的影响，消除了原来存在的能级简并。这是由于与基质原子之间的共价键所致，因此对于给定的电子跃迁，光谱上将出现精细结构。
（2）能级加宽。由于基质作用而使离子能级加宽的机制比较复杂，有多种因素可以对其产生影响，一般存在两种加宽机制： ①声子加宽。当两个能级之间发生跃迁时，将发生某种形式的能量交换，包括声子的产生和湮灭。声子的能量取决于温度，在给定的温度下，存在一个声子能量的分布，将引起吸收和发射的波长扩展。降低温度会减少声子数，从而使光谱变窄。 ②基质电场对能级的微扰导致能级加宽。这种微扰对于不同离子的作用是不同的，它取决于周围环境，因此是一种非均匀加宽。但这种加宽机制与温度无关，光谱加宽的性质和幅度对于固体激光器来讲是十分重要的。加宽的幅度之所以重要是因为一般在给定的泵浦功率下，增益与线宽成反比。作为激光介质，具有电子屏蔽的稀土离子要比无屏蔽层的跃迁元素离子优越；而加宽机制将对增益饱和的程度和输出谱线结构带来影响。尽管目前尚且不清楚加宽机制对激光器影响的程度如何，但可以比较肯定地认为加宽机制与玻璃的组分有关。
掺杂光纤的发展起源于光纤激光器的研究，早在 1961 年 Snitzer 在掺钕玻璃波导中发现了激光辐射。1963~1964 年光纤激光器和放大器的概念相继提出，但因为当时光纤损耗大、半导体激光器无法在室温下连续工作等原因，在这之后的相当长时间内，光纤激光器和掺杂光纤没有得到很好的发展。1966 年，高锟博士在详细地研究了造成光纤中光衰减的主要原因，明确指出了光纤在通信中实际所要解决的主要技术问题。这个难题由美国康宁公司于 1970 年解决，他们开发出衰减小于 20dB/km 的光纤，这一技术的突破，不仅为光通信和光电子技术产业的发展奠定了基础，而且为特种光纤的开发提供了先进的技术手段。上世纪八十年代中期，Poole 等人在 MCVD 基础上，率先开发出汽相掺杂和液相掺杂技术，使得稀土元素掺杂光纤的制作工艺日益完善。
在这之后,掺稀土离子光纤及器件方面的研究取得了巨大进展。光纤激光器以其低阈值、高效率、窄线宽、可调谐和高性能价格比等优点受到普遍重视并逐步商用化。但是由于单模纤芯（直径 4～6µm）较小，高的泵浦功率很难有效地耦合到纤芯中，所以光纤激光器的功率较低。直到上世纪 80 年代末期出现的稀土掺杂双包层石英光纤技术，由美国宝丽来公司（Polaroid Corp.）和英国南安普敦大学提出。以双包层光纤为基础同时应用包层泵浦技术，有效解决了光纤激光器中泵浦光功率与增益光纤之间的耦合效率问题，使光纤激光器输出功率得到了迅速提高，大大推动了高输出功率激光器的发展。输出功率由几百毫瓦上升到几十瓦甚至几百瓦，并开始在光通信、印刷等领域的应用。稀土掺杂双包层石英光纤的研制技术因此成为了高功率光纤激光研究的关键技术之一。 为了使内包层中传输的泵浦光更多次地穿越掺有稀土离子的纤芯，提高泵浦效率，人们提出了不同形状的内包层结构。最先研制和使用的是圆形内包层结构，但圆形对称使内包层中存在大量的螺旋光，这部分泵浦光不经过纤芯，不被稀土离子吸收，大大降低了泵浦光的利用率。后来，又逐渐研制出不同形状的内包层，如偏芯圆形、矩形、正方形、D 形、梅花形、六边形、八角形等。理论表明，矩形和 D 形内包层结构具有很高的泵浦光利用率。
虽然双包层光纤激光器的输出功率有了较大提高，但由于其纤芯仍属于传统单模，纤芯直径较小，增益大，放大的自发辐射很容易建立，非线性作用较强，因此很难得到高脉冲能量的脉冲激光输出。为了获得更高功率的输出，常规的“小芯径、大数值孔径”的光纤设计已经不适合大功率输出的应用。
但是，随着纤芯直径的增大，光纤的 V 值增加，纤芯中传输的模式增多，光纤输出激光的光束质量将变差。为此，人们研制出大模场面积的双包层光纤（LMA），通过增加纤芯面积，克服了非线性作用、增大了纤芯的存储能量；同时减小纤芯与内包层的相对折射率差，以维持辐射激光的近似单模传输，从而在光纤中实现高脉冲能量和高光束质量的激光输出。 因此大模场面积双包层有源光纤成为目前有源光纤研制的热点。很多西方国家已投入大量人力物力积极开展对高功率大模场面积双包层有源光纤的研究工作，光纤的品种和质量正不断增加和改善。现在，高功率大模场面积双包层有源光纤和光纤激光器国外已有产品出售，但也只有美国的 NUFERN 公司,芬兰的LIEKKI 公司等几家公司能提供这种产品。NUFERN 公司的双包层有源光纤产品主要有外径 400μm，芯径 20μm 和 30μm，976nm 吸收系数为 2~4 dB/m。大模场面积的双包层光纤已广泛地应用于高功率连续和脉冲光纤激光器、放大器中。
为了实现激光功率的相干合成，对于许多高功率光纤激光器和光放大器而言，在稳定的线偏振状态下工作成为一个必要的条件。有报道采用非保偏光纤实现保偏工作，但采用保偏的大模场面积双包层光纤无疑是高功率光纤激光器实现线偏振输出的最理想方案。随着对于输出功率超过 100kW（连续）的军事和工业应用的需求不断增长，对于保偏的大模场面积双包层光纤的需求也呈现不断上升的势态。保偏光纤技术主要利用应力区部分与掺杂纤芯和包层的热膨胀系数之间的差异来产生双折射特性，根据应力区的形状，保偏双包层光纤主要有领结型和熊猫型两种结构。Kliner 等人第一个报道了采用领结型保偏光纤制作出保偏掺镱双包层光纤放大器，但由于领结型保偏双包层光纤生产工艺复杂，稳定性和一致性差，其双折射特性没有熊猫型保偏双包层光纤好，因此在高功率光纤激光器和放大器中采用的主要是熊猫型保偏光纤。
发展了一种称为晶体光纤（PCF）的信息光纤，根据不同的导光原理，PCF 光纤分为两种：一种是基于光的全反射原理（Total Internal Reflection, TIR）导光的 TIR-PCF，另外一种是基于光子禁带效应（Photonic Bang-Gap，PBG）导光的 PBG-PCF。PBG-PCF 利用包层的光子禁带效应，将导波限制在光纤的空气纤芯中传输。而 TIR-PCF 具有一个高折射率的纤芯，空孔的折射率大体上为 1，因此在引入空孔的光纤包层区域折射率实际上被降低，其有效折射率比纤芯折射率更低，那么通过与传统光纤相同的全内反射就可以将光约束起来。在空孔的配列呈周期性的情况下，这种光纤就称为全内反射型 PCF。TIR-PCF 制作工艺相对简单，通过一定的掺杂技术可以做成有源的光子晶体光纤，所以目前稀土掺杂的PCF 都是这种类型的光纤。和稀土掺杂双包层石英光纤一样，稀土掺杂 PCF也可以设计双包层光纤结构，这对于高功率光纤激光器的研制具有重要意义。
在稀土掺杂双包层石英光纤的 MCVD 工艺中，只能通过纤芯直径和数值孔径的控制来实现单模输出，这种方法存在两个问题，一是纤芯直径的增加受到工艺和其他参数（如数值孔径、光纤损耗）的限制不能自由设计；二是纤芯和内包层的折射率差不能精确控制。而稀土掺杂双包层 PCF 的导波性质主要决定于光纤的结构而与材料无关，比如通过空气孔大小和间隔距离的选择设计，可以在大范围纤芯直径和波长值内实现单模传输，这种单模传输特性还跟光纤的绝对尺寸没有关系，利用这一点可以将稀土掺杂双包层 PCF 的模场面积做的足够大，以降低光纤内的功率密度和控制光纤产生非线性现象。 为了提高泵浦光的耦合效率，稀土掺杂双包层 PCF 的内包层数值孔径需要尽可能高。稀土掺杂双包层石英光纤为此采用低折射率涂料做光纤外包层，可以将数值孔径提高到 0.46-0.48 的水平，而这也就是该工艺的极限水平。稀土掺杂双包层 PCF 则很容易的突破了这个极限，通过提高内包层的空气填充比例来增大光纤内包层和纤芯的相对折射率差，从而增大光纤内包层的数值孔径，可以高达 0.9。目前内包层数值孔径为 0.8 的掺镱双包层 PCF 已有了报道。
具有保偏特性的稀土掺杂双包层 PCF 是另一个值得关注的发展方向，通过改变 x、y 轴靠近纤芯附近的空气孔的直径，可以引起两个正交轴上有效折射率的差异，从而在光纤内引入双折射，可比普通保偏光纤大一个数量级，达 10量级。
国内掺镱双包层光纤的研制方面，从文献报道来看，烽火公司研制出了双包层有源光纤。四十六所从 87 年开始了掺稀土离子光纤的研制工作，至今已自行开发出大芯径、大数值孔径、大尺寸内包层的系列双包层光纤，内包层的形状有圆形、方型、矩形、D 型和八角形等。其所制备的 D 形和矩形内包层结构的掺镱双包层光纤更是国内首创，填补了国内新型掺镱双包层光纤的空白，促进了国内掺稀土离子光纤激光器的发展。
开展了大模面积掺镱双包层光纤的研制工作，在掺镱光纤的研制方面取得重大突破，解决了研制大模面积掺镱双包层光纤的多项关键技术，结合本论文的研究工作，目前掺镱光纤的浓度从原来的 3000ppm 升高到 6000ppm 以上，最高达到 59800ppm，掺镱光纤 976nm 的有效吸收系数从 0.7dB/m 提高到7.5dB/m，光纤内包层有 D 型、矩形、八角形等多种形状。