工業光纖激光器制造正成為石英光纖增長最快的市場之一。光纖激光器展現出了許多優于二極管泵浦固體激光器的性能，諸如卓越的性能、優良的可靠性、緊湊的體積、較高的效率，以及為用戶帶來的成本節? Ｌ乇鶚遣麩罟庀思す餛鰨湓諏ê吐齔騫ぷ髂Ｊ較攏直鶚迪至聳吡考兜墓β適涑觥1]摻鐿光纖激光器應用的不斷增多，激發了業界對各種類型的二氧化硅光纖的開發，而且每種光纖都具備獨特的屬性，以滿足特定的應用需求。由于玻璃的設計和材料特性對光纖激光器的性能具有決定性的影響，因此光纖及其預制棒的制造也在不斷向前發展。 大多數二氧化硅光纖都是通過基于改進型化學氣相沉積（MCVD）法制作的光纖預制棒拉制而成。這種方法非常適合于制造傳輸用的無源光纖，但是不太適合于在預制棒的玻璃結構中摻雜稀土離子。現有的名為溶液摻雜技術就是為解決這個問題應運而生的，但是仍然不能用于制造具有多層結構、設計復雜的光纖。[2]為了彌補目前對光纖激光器的需求與現有稀土摻雜能力之間的差距，英國南安普頓大學光電子研究中心（ORC）開發出了兩項新技術——現場溶液摻雜技術和化學坩堝沉積技術。 [3,4] 現場溶液摻雜技術 在傳統的溶液摻雜方案中，一層稱為“Soot”的硅微粒首先被沉積在高純度玻璃基質管的內壁（見圖1）。Soot只有幾十微米厚，但是其較大的表面積使其具有了多孔結構。這層硅微粒最終會形成光纖的纖芯。在硅微粒層沉積之后，玻璃管從制備預制棒的車床轉移到另外一個裝置上，這個裝置中包含溶有稀土離子和共摻雜離子（如鋁）的溶液。玻璃管在這個裝置中經過一個指定的浸泡周期（一般為1個小時）后，再次被轉移到車床上。接下來，硅微粒層通過高溫熔結成玻璃體。每層摻雜都必須重復這個過程，這將會降低可用預制棒的產量，因為這個過程要連續轉移玻璃管。因此，這種技術并不適用于多于3到4層的摻雜。 圖1：改進型化學氣相沉積（MCVD）設備用于制備光纖預制棒，圖中正在沉積多孔硅層現場摻雜MCVD技術與傳統的溶液摻雜技術類似，但是其省去了在車床上轉移和重新安裝玻璃管這道工序，這使得整個過程更加高效、可靠，因而提高了預制棒的產量。這個過程首先也包括一個跟以前一樣的沉積Soot層的工序。然后，溶液通過裝配車床的尾端引入到Soot層中。一個小口徑玻璃管的一端被送到里面直到靠近Soot層，而該管的另一端與一個軟管相連，并通過一個泵輸送液體。在整個過程中，玻璃管保持在原位不動。當Soot層被完全浸透后，導流管就會被移除，溶劑蒸發后就會留下稀土離子。當這一層被完全烘干后，摻雜的氧化粒子就會進入玻璃。最后，玻璃管被熔融坍塌形成固體的玻璃預制棒。重復這個過程，可以實現多層摻雜。 現場摻雜技術的靈活性，能夠實現具有復雜結構的摻雜稀土的預制棒的制備，這是傳統的溶液摻雜技術無法實現的。現場摻雜技術應用的一個例子是摻鐿的雙包層光纖，它具有一個突起的內包層環用于降低較高的數值孔徑（NA），其數值通常大于0.15，這是由于高度摻雜所引起的（見圖2）。通過現場摻雜技術，可以將NA值降低到0.06，因此可以減少激光的輸出模式。 為了保證纖芯的導光性，在預制棒中需要一個大口徑的內包層，它通常包含多個沉積層。磷和鍺是在MCVD中常用的可以進行氣相沉積的材料。然而，摻雜磷和鍺的玻璃有殘余的內應力，而且容易破碎。但是采用現場沉積技術，多個無應力的鋁硅酸鹽層可以被沉積形成內包層。例如，采用現場溶液摻雜技術，可以實現直徑為400μm的摻鐿纖芯光纖，包含14層鋁硅酸鹽的內包層（見圖2）。該光纖被拉成雙包層結構，能使摻鐿光纖激光器實現約達80%的光-光轉換效率。 圖2：光纖的折射率輪廓圖和界面圖化學坩堝沉積法 除了現場溶液摻雜技術，南安普頓大學光電子研究中心正在開發的第二項技術是化學坩堝沉積技術，該項技術用于低揮發性的摻雜材料的霧化與結合。目前開發的關注焦點是鑭系螯合物（lanthanide-based chelate complex），它們在室溫下為固態，在攝氏150~200℃之間會升華。目前，使用這些材料的沉積系統已經實現了商業化，這種系統最初是為了制造具有低摻雜稀土離子的通信光纖而設計的。因此，目前并未見到利用此系統開發用于高功率激光器應用的光纖的廣泛報道，這可能是因為使用外部稀土傳送系統的存在一定的難度。 在MCVD化學坩堝技術中，稀土摻雜物直接在車床上的MCVD玻璃套管的內部加熱，非常靠近沉積區，這增加了多功能性而且沿著套管的長度方向保持了較好的均勻性（見圖3）。 稀土和共摻雜離子放置在一個通過外部供電的電加熱坩堝上面，溫度精度控制在1℃以內。 圖3：化學坩堝法制備光纖預制棒技術鑭系螯合物的高度揮發性與MCVD相結合，可以在相對較低的溫度下（大約200℃）使稀土離子在氣相狀態下以高濃度摻雜到預制棒中。由于稀土離子和共摻雜離子（如鋁和鍺）會同時與二氧化硅沉積物結合，因此化學坩堝沉積技術的另一個優點是：與傳統的溶液摻雜技術相比，在相同的摻雜水平下，化學坩堝沉積技術能明顯改善稀土離子的聚集作用。這種新型的化學坩堝預制棒制備技術，可以實現廣泛的摻雜物質的氣相沉積，根據需要還可以靈活地改變加熱溫度至幾百攝氏度，以產生足夠的蒸汽。 參考文獻： 1. Y. Jeong et al., Opt. Exp., 12, 25, 6088-6092 (2004). 2. J.E. Townsend et al., Electron. Lett., 23, 7, 329-331 (1987). 3. A.S. Webb et al., J. Non-Crystalline Solids, 356, 848-851 (2010). 4. A.J. Boyland et al., CLEO/QELS 2010 paper CThV7, San Jose, CA (May 2010).