掺镱光纤概述

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。

稀土元素及掺 Yb3+离子激光材料的优点

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he聚变领中的较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 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。