工業(yè)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(xiàn)出了許多優(yōu)于二極管泵浦固體激光器的性能，諸如卓越的性能、優(yōu)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(jié)? 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(fā)了業(yè)界對各種類型的二氧化硅光纖的開發(fā)，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(fā)展。 大多數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)出了兩項新技術——現(xiàn)場溶液摻雜技術和化學坩堝沉積技術。 [3,4] 現(xiàn)場溶液摻雜技術 在傳統(tǒng)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(zhì)管的內(nèi)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(jīng)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(chǎn)量，因為這個過程要連續(xù)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(xiàn)場摻雜MCVD技術與傳統(tǒng)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(chǎn)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(fā)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(xiàn)多層摻雜。 現(xiàn)場摻雜技術的靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)具有復雜結構的摻雜稀土的預制棒的制備，這是傳統(tǒng)的溶液摻雜技術無法實現(xiàn)的。現(xiàn)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(nèi)包層環(huán)用于降低較高的數(shù)值孔徑（NA），其數(shù)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)應力，而且容易破碎。但是采用現(xiàn)場沉積技術，多個無應力的鋁硅酸鹽層可以被沉積形成內(nèi)包層。例如，采用現(xiàn)場溶液摻雜技術，可以實現(xiàn)直徑為400μm的摻鐿纖芯光纖，包含14層鋁硅酸鹽的內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)場溶液摻雜技術，南安普頓大學光電子研究中心正在開發(fā)的第二項技術是化學坩堝沉積技術，該項技術用于低揮發(fā)性的摻雜材料的霧化與結合。目前開發(fā)的關注焦點是鑭系螯合物（lanthanide-based chelate complex），它們在室溫下為固態(tài)，在攝氏150~200℃之間會升華。目前，使用這些材料的沉積系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化，這種系統(tǒng)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(tǒng)開發(fā)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(tǒng)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(nèi)部加熱，非常靠近沉積區(qū)，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(nèi)。 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(fā)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(tài)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(yōu)點是：與傳統(tǒng)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(xiàn)廣泛的摻雜物質(zhì)的氣相沉積，根據(jù)需要還可以靈活地改變加熱溫度至幾百攝氏度，以產(chǎn)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).