氟化物有源光纤：稀土掺杂中红外增益介质，助力2-10μm光纤激光与放大

　　氟化物光纤是以氟化物玻璃为材料制作的特种光纤，主要工作在2-10微米波长的光传输与激光产生领域。与硫系玻璃光纤相比，氟化物光纤具有更高的稀土掺杂浓度、更高的机械强度、良好的化学稳定性以及较低的背景损耗。其中，基于氟锆酸盐玻璃(ZBLAN)的氟化物光纤最为常见，此外还有氟铟酸盐和氟铝酸盐玻璃等类型。氟化物有源光纤专为光纤激光器和放大器设计，通过掺杂稀土离子(如铒、铥、钬、镝、镨、镱等)，在中红外波段实现高效的光增益。

　　一、材料特性与优势

　　氟化物玻璃的中红外透明性使其在中红外光谱学、光纤传感器、温度测量和成像等领域具有独特价值。其多光子跃迁受到强烈抑制的性质，使得稀土掺杂离子的上能态寿命足够长，从而能够实现多种激光器跃迁，例如上转换激光器。与石英光纤相比，氟化物光纤在2μm及以上波段具有极高的透明度，背景损耗可低至10 dB/km以下(在2.5-3.5μm关键波段)。同时，氟化物玻璃可以接受高达数万ppm的稀土离子掺杂浓度(如掺铒可达70,000 ppm，掺钬可达100,000 ppm)，远高于石英基质，为实现高增益、短腔长的光纤激光器创造了条件。

　　二、有源光纤类型

　　有源单模光纤：纤芯直径范围可为2.9-16μm，包层直径通常为125μm或250μm，数值孔径可在0.11至0.35之间。单模传输保证光束质量接近于衍射极限，适用于中红外光纤激光器的种子源和低功率放大器。典型产品包括掺铥(2μm波段)、掺钬(2.1μm)、掺铒(2.8μm)、掺镝(3-4μm)以及双掺杂光纤(如Tm+Yb、Pr+Yb)，后者可用于上转换产生可见光(如480nm、491nm、521nm、635nm)。此外，掺镨(Pr)氟化物光纤专为1.3μm电信O波段的信号增益放大(PDFA)而设计。

　　多包层有源光纤：采用双包层或多包层结构，内包层截面可设计为八边形、双D形或矩形(如240×260μm)，以增强对泵浦光的吸收效率。纤芯直径可小至7.5μm，大至16.5μm;包层直径范围包含125μm、155μm、220μm等多种规格。这种结构能够将高功率多模泵浦光(如980nm或790nm半导体激光)高效耦合到内包层中，并由纤芯中的稀土离子吸收，实现数瓦至数十瓦量级的中红外激光输出。多包层光纤是高功率中红外光纤激光器和放大器的核心增益介质。部分型号还提供保偏版本。

　　三、典型应用

　　- 医疗激光：氟化物光纤可传输Er:YAG激光器发出的2.94μm光，用于眼科和牙科的精细切割和消融，同时有源光纤可作为增益介质直接产生2.8微米激光。

　　- 中红外光纤激光器：掺铥ZBLAN光纤激光器输出1.9-2.1μm，用于手术和大气传感;掺铒ZBLAN光纤激光器输出2.8μm，用于生物组织切割和水检测;掺镝氟化物光纤激光器输出3-4μm，用于塑料焊接和气体分析。

　　- 中红外光纤放大器：将种子光(如量子级联激光器、光学参量振荡器)进行功率放大，用于光谱增强和自由空间光通信。

　　- 上转换激光器：利用稀土离子的上转换过程，可将近红外泵浦光转换为可见光或紫外光，用于显示和生物标记。

　　- 电信放大：掺镨氟化物有源光纤可作为增益介质，应用于1.3μm波段(O波段)的光纤放大器(PDFA)。

　　氟化物有源光纤凭借其宽波段透过性、高稀土掺杂浓度和低背景损耗，成为中红外光纤激光器与放大器的理想增益介质。

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