1　引言

2.0 μm波段激光因处于大气传输窗口（1.7~2.1 μm）和人眼安全波段（1.4~2.1 μm），在大气通信、激光遥感以及生物医学等领域有广泛的应用前景^［1-4］。而2.0 μm波段单频激光更是凭借线宽窄、噪声小、单色性好、相干长度长等优势，在精密测量、星载激光雷达、高分辨光谱等领域^［5-9］获得了广泛关注。Tm³⁺掺杂玻璃及光纤是获得2.0 μm激光的重要增益材料。目前，基于Tm³⁺掺杂的石英光纤、多组分玻璃光纤均获得了2.0 μm波段单频激光。其中，多组分玻璃由于成分调节范围大，稀土掺杂浓度高，是当前实际中采用的主要高增益介质。华南理工大学和天津大学等单位分别在锗酸盐^［10］和硅酸盐^［11］等软玻璃中相继实现了Tm³⁺掺杂浓度为^{8.0×1020 cm-3和8.52×1020 cm-3的高掺杂，光纤在1.95 μm处分别获得了3.6 dB/cm和1.7 dB/cm的增益系数。然而，由于玻璃软化点、热膨胀系数相差较大，多组分软玻璃光纤和石英光纤间的熔接困难导致其应用受限。}

稀土掺杂石英玻璃光纤与石英光纤无源器件系统兼容性好，但传统制备工艺难以实现稀土离子的高浓度掺杂。2019年，Lu等^［12］采用改进的化学气相沉积（MCVD）结合液相掺杂工艺，在Tm/Al共掺石英玻璃中实现了铥离子5.66×10²⁰ cm^-3的掺杂浓度，其Tm³⁺掺杂浓度与已报道的多组分玻璃相比仍有差距。基于分布式布拉格反射（DBR）结构的单频激光器所使用的增益光纤较短，高的Tm³⁺掺杂浓度保证了光纤对泵源更有效的吸收以及更低的激光输出阈值，更有利于提升系统的激光性能。为实现2.0 μm波段单频激光高增益，进一步提高稀土离子在石英玻璃里的掺杂浓度成为了近年来的研究热点。溶胶凝胶（SG）法因实验条件简单，液相条件下原料可均匀混合，通过水解缩合反应生成分子级产物，可在石英玻璃中实现稀土离子分子级高浓度均匀掺杂，从而受到大量研究人员的关注。2019年，Xia等^［13］采用SG法和旋涂工艺，成功制备出Yb³⁺最高掺杂浓度（物质的量分数）为30%的透明铝硅玻璃薄膜；2020年，Xia等^［14］结合镀膜和熔融拉锥工艺，成功制备出Yb³⁺掺杂浓度（质量分数）高达5.7%的石英光纤，并实现了光信噪比为70 dB的1.03 μm激光输出。

本文针对目前在2.0 μm波段单频激光中石英玻璃相较于软玻璃Tm³⁺ 掺杂浓度低的问题，以正硅酸乙酯（TEOS）作为硅源、Al₂O₃作为石英玻璃网络形成体、La₂O₃作为分散剂，创新性地将溶胶镀膜法和熔融拉锥工艺相结合，成功研制出Tm³⁺的掺杂浓度高达8.29×10²⁰ cm^-3的石英光纤，该离子掺杂浓度与多组分玻璃中的含量相当^［10-11］；同时对光纤进行了增益性能分析，相关研究方法和结论将有助于推动高增益石英光纤的进一步发展。

2　实验内容

2.1　玻璃及光纤的制备

溶胶组分设计为2.3Tm₂O₃-3.4La₂O₃-8.6Al₂O₃-85.7SiO₂（各组分前面的数字加百分号代表物质的量分数），命名为2.3T。以纯度为99.99%的TEOS为硅源，以硝酸盐水合物形式引入相应氧化物，其纯度为分析纯，通过水解缩合反应生成透明溶胶。为表征纤芯玻璃的光谱性能，采用同种原料和组分，利用溶胶凝胶法和高温烧结工艺制备相应成分块体玻璃，具体制备工艺流程可参考文献［15］。最后将玻璃样品两面研磨抛光成厚度为2 mm的玻璃片，用于光谱测试。

石英光纤的制备工艺流程如图1所示。将外径为1130 μm、芯径为130 μm的石英毛细管的一端插入透明溶胶中，另一端与真空泵连接，进行30 s抽滤镀膜；毛细管内壁镀膜后置于90 ℃加热板干燥30 min，湿膜经干燥凝胶化形成透明凝胶膜；随后将样品在O₂气氛和1050 ℃下热处理30 min；薄膜玻璃化后，选用日本株式会社藤仓公司Laser Master LZM-100 CO₂ 激光器为光纤熔接机进行熔融拉锥，石英毛细管经一次拉锥后外径为500 μm，经二次拉锥后得到外径为125 μm、芯径约为4 μm的高掺Tm³⁺石英光纤。

图 1. 石英毛细管内壁镀膜及熔融拉锥制得Tm³⁺高掺石英光纤示意图。（a）镀膜；（b）热处理；（c）熔融二次拉锥

Fig. 1. Schematic diagrams of highly Tm³⁺-doped silica fiber prepared by coating on inner wall of silica capillary and tapering.(a) Coating; (b) heat treatment; (c) secondary fused tapering

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2.2　玻璃样品的性能测试与表征

图2所示为玻璃样品的光谱测试图，其中图2（a）中插图是Tm³⁺高掺杂浓度高硅氧玻璃实物图，玻璃透明性较好、未失透。采用排水法测得玻璃密度为2.83 g·cm^-3，玻璃折射率由高掺Tm³⁺石英光纤的折射率差计算得到，为1.483。采用ICAP 6300型电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-ASE）测得Tm³⁺的掺杂浓度（质量分数）为8.22%。玻璃的物理参数如表1所示，从表1中数据得出，溶胶凝胶法可以在高硅氧玻璃中有效地实现Tm³⁺的高浓度掺杂。

图 2. Tm³⁺高掺杂高硅氧玻璃光谱性能。（a）吸收截面；（b）发射光谱（插图为红外透过谱）

Fig. 2. Spectral performance of highly Tm³⁺-doped high-silica glass. (a) Absorption cross section; (b) emission spectrum (inset is infrared transmission spectrum)

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图2（a）所示为玻璃的吸收截面，吸收光谱由Perkin Elmer Lambda 950型紫外可见分光光度计测得，吸收截面^［11］可表示为

式中：D(λ)为光密度，其值由分光光度计直接测得；d为玻璃样品厚度；N为样品中Tm³⁺的掺杂浓度。从图2（a）可以看出，在300~2000 nm范围内存在354 nm、469 nm、683 nm、789 nm、1211 nm、1649 nm 6个峰位，其分别对应于基态³H₆跃迁至激发态¹D₂、¹G₄、³F_2，3、³H₄、³H₅、³F₄（图3）。最强主峰位于789 nm（³H₆→³H₄），由式（1）计算出吸收截面为17.47×10^-21 cm²，此吸收截面远大于硅酸盐玻璃中Tm³⁺掺杂浓度为8.52×10²⁰ cm^-3时的4.4×10^-21 cm²。利用该波段进行泵浦，高强度的吸收可使³H₄能级粒子大量堆积，粒子能级间发生（³H₆+³H₄→³F₄+³F₄）能量传递，强的交叉弛豫效应（CR）有利于实现2.0 μm发光。第二强吸收峰1211 nm（³H₆→³H₅）处吸收截面大于1649 nm（³H₆→³F₄）处，Tm³⁺掺杂浓度分别为14.94×10^-21 cm²和8.43×10^-21 cm²，此吸收特性也不同于硅酸盐中Tm³⁺特性^［16］。图2（b）所示的玻璃样品发射光谱由Edinburgh Instruments 公司 FLS 920型时间分辨光谱仪测得，采用808 nm光泵浦玻璃样品时荧光主峰位于1888 nm，荧光半峰全宽为280 nm，1400~1500 nm范围内存在荧光小峰，峰值位于1466 nm，对应能级跃迁为 ³H₄→³F₄，此处峰值远小于1888 nm处，其原因是玻璃在789 nm附近的强吸收使得Tm³⁺粒子间交叉弛豫增强，³H₄能级粒子数减少，³F₄能级粒子数明显增多，图3所示为Tm³⁺能级简图以及粒子间的交叉弛豫。图2（b）中插图为玻璃样品的红外透过谱，由Nicolet 6700型Fourier转换红外光谱仪测定，测试范围为1800~4000 cm^-1，利用式（2）计算玻璃中羟基的含量：

式中：MOH为OH^-的摩尔质量；ε为消光系数，ε=77.5 L·mol^-1·cm^-1；l、ρ分别为玻璃样品的厚度和密度；T0与T分别为玻璃的最高透过率和在3500 cm^-1处的透过率。最终计算得到的OH^-吸收系数为0.0595 cm^-1，远小于用传统熔融淬冷法制备的掺Tm³⁺锗酸盐玻璃的0.51 cm^-1的OH^-吸收系数^［17］，说明通过溶胶凝胶法可以制备出低羟基含量的Tm³⁺高浓度掺杂高硅氧玻璃，这有利于稀土在2.0 μm处发光。以上光谱特性表征结果表明，溶胶凝胶法可有效制备光学质量良好的高浓度掺Tm³⁺高硅氧玻璃。

图 3. Tm³⁺能级简图以及粒子间交叉弛豫

Fig. 3. Simplified energy level diagram of Tm³⁺ and cross relaxation between Tm³⁺ ions

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采用型号为JXA-8230的电子探针显微分析仪（EPMA）设备对石英光纤的端面进行电子探针扫描，所得元素分布如图4（a）所示，Al、Tm、La三种元素的分布一致，元素含量从纤芯向包层均匀递减，这是由石英毛细管在热处理以及熔融拉锥过程中掺杂元素向包层发生热扩散导致的。这一现象也表现在图4（b）所示的光纤端面折射率分布图中，纤芯与石英包层的折射率差分布为渐变型而非阶跃型。为改善这种情况以及实现高掺Tm³⁺石英光纤对泵浦光的有效吸收，后续将进一步优化石英毛细管内壁膜层热处理工艺，通过降低膜层的烧结温度、缩短烧结时间以及提高熔融拉锥速率等来抑制掺杂元素在成纤过程中的热扩散。由于Tm³⁺、La³⁺对纤芯折射率的贡献大^［18］，纤芯包层的折射率差为0.033，对应光纤的数值孔径（NA）为0.36，间接证明了溶胶凝胶法极为有效地在石英光纤中实现了Tm³⁺高浓度掺杂。利用式（3）计算光纤的截止波长^［19］：

式中：λc为单模激光输出的截止波长；a为光纤纤芯半径；V为单模激光归一化频率，单模光纤要求V≤2.4048；NA为光纤的数值孔径。经计算得到该光纤的截止波长为1881 nm，满足2.0 μm激光在光纤中的单模传输条件。为了验证高掺Tm³⁺石英光纤的出光可行性，将该光纤与商用无源石英光纤进行熔接。图5所示为光纤熔接效果图，可以看出光纤熔接端口平滑，极易与无源石英光纤进行熔接，且很有效地避免了由多组分纤芯材料不匹配所带来的熔接困难问题，同时测得两点的熔接损耗为0.9 dB，此处损耗偏大，其主要原因是光纤NA不匹配。

图 4. 高掺Tm³⁺石英光纤的物理性能。（a）光纤端面元素分布（插图：光纤端面）；（b）光纤折射率分布

Fig. 4. Physical properties of highly Tm³⁺-doped silica optical fiber. (a) Element distribution at end face of optical fiber (inset is end face of optical fiber) ; (b) refractive index distribution of optical fiber

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图 5. 高掺Tm³⁺石英光纤与无源石英光纤熔接效果图

Fig. 5. Images of fusion splicing between highly Tm³⁺ -doped silica optical fiber and passive silica optical fiber

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3　分析与讨论

3.1　高掺Tm³⁺石英光纤的激光性能研究

为探究高掺Tm³⁺石英光纤的激光性能，搭建了如图6所示的基于全光纤化线性腔结构的光纤激光器，泵浦源选用最大功率为250 mW的半导体808 nm激光二极管。谐振腔由高反光栅（HR FBG）和耦合输出光栅（OC FBG）构成。HR FBG在1947.67 nm处的3 dB带宽为0.7 nm，反射率大于99%；OC FBG的中心波长位于1947.66 nm，3 dB带宽为0.15 nm，反射率为87.8%。光栅与有源光纤（TDF）之间采用熔接方式连接。

图 6. 基于全光纤化线性腔结构的1947 nm型光纤激光器

Fig. 6. 1947 nm fiber laser based on all-fiber linear cavity structure

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泵浦光经793 nm/1950 nm波分复用器（WDM1）的泵浦端输出至谐振腔，利用WDM2分离1947 nm信号激光与残余泵浦光。对长度分别为2.3 cm、4.6 cm、6.5 cm的增益光纤进行激光效率测试，将吸收泵浦功率、输出激光功率进行线性拟合，斜率效率如图7（a）所示。随着光纤长度的增加，激光阈值逐渐增大，斜率效率先增大后减小，4.6 cm长度时斜率效率最大为14.1%。随着光纤长度的增加，激光增益先逐渐增大并趋于饱和，光纤长度进一步增加时自吸收效应增强，光光转换效率逐渐降低。图7（b）所示为利用光纤光谱仪测试得到的激光光谱，分辨率为0.05 nm，测试范围为1600~2100 nm。当808 nm波长的泵源功率达250 mW时，可以明显观察到1947 nm处激光信号，光信噪比（OSNR）约为70 dB，半峰全宽为0.7 nm。

图 7. 高掺Tm³⁺石英光纤激光性能。（a）不同光纤长度下的斜率效率；（b）4.6 cm高掺Tm³⁺石英光纤激光光谱（插图为1944~1951 nm范围的激光光谱）

Fig. 7. Laser performance of highly Tm³⁺-doped silica optical fiber. (a) Slope efficiency for different fiber length; (b) laser spectrum of 4.6-cm highly Tm³⁺-doped silica optical fiber (inset is laser spectrum in range of 1944-1951 nm)

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3.2　高掺Tm³⁺石英光纤的增益性能研究

为了进一步研究高掺Tm³⁺石英光纤的增益性能，自主搭建了1947 nm信号源以及掺铥光纤放大器，如图8所示。由于单频激光器一般要求光纤长度较短，因此本实验选用2.3 cm光纤进行研究，同时选用6.5 cm掺Tm³⁺石英光纤作为信号源的增益光纤，测试得到种子源的功率为-9.34 dBm。图9（a）记录了2.3 cm掺Tm³⁺石英光纤在不同泵浦功率下输出信号的强度，图9（b）为对应掺Tm³⁺石英光纤的小信号净增益特性曲线。从图9中可以看出，随着泵浦光功率的提高，信号光强度快速增大；泵浦功率增至83 mW时开始实现净增益，增大到125 mW左右时，信号光强的提升速率逐渐降低；功率进一步提升至250 mW时，光纤增益趋于饱和，此时1947 nm处小信号净增益系数为0.48 dB/cm。同时，测得损耗系数为1.22 dB/cm@1310 nm，掺Tm³⁺石英光纤在808 nm处的吸收系数为2.56 dB/cm。以上数据表明，输入信号可以得到有效放大。

图 8. 1947 nm信号源以及掺铥光纤放大器

Fig. 8. 1947 nm signal source and Tm³⁺-doped fiber amplifier

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图 9. 2.3 cm高掺Tm³⁺石英光纤增益特性。（a）不同泵浦功率下输出信号的强度；（b）增益系数曲线

Fig. 9. Gain characteristics of 2.3-cm highly Tm³⁺-doped silica optical fiber. (a) Output signal intensity for different pump power; (b) gain coefficient curve

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为了实现高增益高功率2.0 μm波段单频激光，目前实验中大多采用793 nm^［20］、1565 nm^［21］等波段激光器泵浦掺Tm³⁺有源光纤，让高掺Tm³⁺短纤有更好的吸收和放大性能。本实验中Tm³⁺高掺高硅氧玻璃的最强吸收波长位于789 nm，因此，可采用789 nm的泵浦光进行泵浦，或者采用长波长（1565 nm）泵浦光提升量子效率。后续工作拟采用789 nm波段泵浦源对此光纤进行深入研究，使用该波长泵浦石英光纤可提高对激发光的利用率，有望进一步提高石英光纤的激光性能。

4　结论

采用溶胶凝胶法和高温烧结技术制备了Tm³⁺掺杂浓度为8.29×10²⁰ cm^-3、光学质量较好的高硅氧玻璃。创新性地采用溶胶镀膜和熔融拉锥工艺相结合的技术，研制出了芯径约为4 μm、外径为125 μm的高掺Tm³⁺石英光纤，并对光纤的激光性能进行了测试。采用808 nm激光泵浦2.3 cm、4.6 cm和6.5 cm三种不同长度的高掺Tm³⁺石英光纤，得到的最高斜率效率达14.1%，1947 nm处可实现的光信噪比约为70 dB；选用2.3 cm的短光纤测试了光纤的增益性能，得到的净增益系数为0.48 dB/cm。为进一步提高此创新工艺所制备的高掺Tm³⁺石英光纤激光性能，后续工作将从纤芯玻璃组分调控、镀膜工艺优化两方面开展。组分方面，可通过不同组分玻璃筛选出荧光效果最佳的玻璃配方；工艺方面，设计并调控膜层厚度，通过对纤芯尺寸的调控使得与无源光纤熔接时有更好的NA、模场匹配。同时，后续可选用789 nm波段泵浦源对光纤激光性能进行进一步研究。综上所述，此光纤制备方法在实现石英光纤的高Tm³⁺掺杂浓度方面具有潜力，有望推动2.0 μm石英光纤单频及高重频锁模光纤激光器的应用。