摻鐿光纖概述

摻雜光纖是一種向常規傳輸光纖的石英玻璃基質中摻入微量稀土元素（如鉺、鐿等）的特種光纖，它也是一種主動光纖。因此可以說，摻雜光纖是由摻雜物與作為宿主的光纖基質組成的具有主動特性的特種光纖。摻雜稀土元素的目的是，促成被動的傳輸光纖轉變為具有放大能力的主動光纖（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、性質、濃度及其分布等密切相關。

稀土元素及摻 Yb3+離子激光材料的優點

光纖中摻入稀土元素即可成為激光介質，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，它們在周期表中占據倒數第二行的位置，排首為元素鑭（La,原子序數為 57），排尾是镥（Lu，原子序數為 71）。從原子結構上看，全部稀土元素都有相同的外電子殼層結構，即 5S5P6S形式，屬于滿殼層結構。鑭系元素彼此之間的的區別僅在于 4f 殼層的電子占有數，所以也可以說，它們的光學性質僅取決于 4f 殼層內電子占有數的多少。已知稀土元素的離子多以三價形態出現，它們都是逸出 2 個 6s 電子和 1 個 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特性（如熒光特性和吸收特性等）不易受到外場的影響，即具有很好的穩定性。

1878 年，瑞士化學家查爾斯（Jean Charles）和馬利格納克（G.de Marignac）在“鉺”中發現了一種新的稀土元素，為了紀念釔礦石發現地——斯德哥爾摩附近那個名叫伊特比（Yteerby）的小村，把這個新元素命名為 Ytterbium，元素符號為 Yb，漢譯名稱為“鐿”—是該元素的專用漢字。鐿在鑭系元素中雖然排在銩之后，但其地殼豐度達卻到 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，產品價格昂貴，限制了其用途研究。隨著光纖通訊和激光等技術的出現，鐿才逐漸找到大顯身手的應用舞臺。摻 Yb3+硅酸鹽玻璃材料已引起世界各國材料科學家和工程物理科學家的廣泛關注，成為當前激光材料研究中的熱點和重要發展方向，被認為是新一代慣性約束he聚變領中的較佳激光工作物質之一。

摻 Yb3+的激光材料比摻其它稀土離子的優點在于： （1）Yb3+離子吸收帶在 800~1100nm 波長范圍內，能與 ZnlnAs 泵浦源有效地耦合，同時其吸收帶較寬，在短波長段(小于970nm)的吸收截面變化較為緩慢，這對于輸出波長易受環境溫度影響，且發射帶窄的激光器泵浦是十分有利的，即無需嚴格控制溫度來獲得相匹配波長的激光輸出。

（2）Yb3+能級結構簡單，它只包含兩個多重態，因此在泵浦波長處及信號波長處都不存在激發態吸收。光轉換效率很高，而大的能級間隔，也排除了非輻射馳豫及濃度淬滅現象的發生。

（3）泵浦波長與激光輸出波長非常接近，量子效率高(可達 90%)。

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

（5）熒光壽命長，一般為摻 Nd3+同種材料的三倍多，有利于儲能。 摻 Yb3+激光材料的這些優點對激光技術的發展有深遠的意義。在傳統的固體激光器中，增益介質為長棒狀，熱流方向垂直于激光束方向，易導致熱透鏡效應和溫度升高，造成激光性能的劣化和激光效率的降低。特別是三能級激光系統，由于要求高的泵浦功率，熱效應更加突出。由于 Yb3+摻雜濃度可以很高，材料中的熱負荷較低，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中的熱應力和熱畸變。