想提高铥光纤激光器的功率，是不是往光纤中多掺一些铥就行了？事情没有那么简单。适当提高整体铥浓度确实有利于离子之间传递能量，但也会增强光纤对泵浦光的吸收，增加单位长度的热负荷。而常用来改善稀土离子局部环境的铝共掺方法，也可能带来额外的光致损耗。
能否减少对铝的依赖，同时在较低的平均铥浓度下保持高效率？澳大利亚麦考瑞大学与美国克莱姆森大学的研究团队利用纳米颗粒验证了一种新的材料设计思路。
团队利用含钡纳米颗粒维持铥离子周围较高的局域浓度，同时降低它们在整个纤芯中的平均浓度，在不使用铝共掺的前提下，制备出了高效的掺铥石英光纤，实现了1950 nm波段约43 W的连续激光输出，相关论文发表在Optics Letters 。
传统铥光纤激光器的局限
在采用793 nm光泵浦的传统铥光纤激光器中，交叉弛豫是提高效率的关键过程。一个铥离子吸收泵浦光子后，先跃迁到较高能级，再将部分能量传给附近另一个处于基态的铥离子，使两个离子都进入能够参与激光发射的上能级。理想情况下，吸收一个泵浦光子有机会产生两个激光光子。这种“一换二”的机制，是铥光纤激光器提高效率的重要途径。
图1 铥离子（Tm3+）的主要能级及能量传递过程示意图。其中，交叉弛豫过程可使两个铥离子进入激光上能级
(图片来源：)
对于这类泵浦方案，常见做法是适当提高整体铥浓度，增加交叉弛豫发生的机会。但提高整体掺杂浓度，也会增强单位长度内的泵浦吸收，使热负荷更加集中。
此外，石英玻璃对稀土离子的容纳能力有限，高浓度铥离子还可能形成不利于激光发射的团簇。为此，常规掺铥石英光纤往往引入铝共掺，改善铥离子的局部环境，减少团簇生成，抑制相关淬灭过程。不过，这位“帮手”也可能带来新的问题：铝相关缺陷可能参与额外吸收的形成，对高功率运行和辐射环境下的应用造成影响。
那么，能不能降低纤芯的平均铥浓度，并在不依赖铝共掺的条件下，保留有利于能量传递的局部环境？
纳米颗粒如何辅助铥光纤激光器
研究团队先合成掺铥氟化钡纳米颗粒，再通过悬浮液掺杂工艺，将颗粒引入石英预制棒，最终拉制成双包层光纤。这种方案通过调节纳米颗粒中的铥掺杂量，维持局部较高的铥浓度，以满足交叉弛豫的需要；同时通过控制颗粒在纤芯中的装载量，降低空间平均铥浓度。
显微分析显示，预制棒纤芯中的纳米颗粒平均直径约为36.15±13.78 nm，存在钡含量较高和较低的两相。作者认为，钡能够改善稀土离子的局部溶解环境，使铥离子稳定在富钡纳米结构附近，减少其聚并成淬灭团簇的可能性。
团队制备了两种光纤，纤芯中的铥含量按氧化铥（Tm2O3）计，对应的空间平均质量分数分别约为1.2%和1.9%，空间平均铥浓度比对应的常规溶液掺杂光纤低约55%~70%。
图2 无铝纳米颗粒掺杂光纤的折射率剖面与预制棒微观结构。左：两种配方光纤相对于包层的折射率分布；右：预制棒纤芯中纳米颗粒的明场扫描透射电子显微图
纳米颗粒方案兼具高效率与低损耗
为了判断降低平均铥浓度后，光纤是否仍能保持较高效率，研究人员采用793 nm光泵浦，将待测光纤接在一对光纤布拉格光栅之间，组成一个输出波长为1950 nm的激光谐振腔。随后，逐步缩短光纤长度，测量各长度下激光输出功率相对于吸收泵浦功率的斜率效率。
图3 无铝纳米颗粒掺杂铥光纤激光器的实验装置。输出端利用二向色镜分离激光与剩余泵浦光
通过对不同长度下测量结果的拟合，并外推到不计传播损耗的情形，团队得到的高、低浓度光纤的最大量子效率分别为1.74±0.05和1.69±0.05，对应的最大吸收泵浦斜率效率估计值约为71%和69%。这里的量子效率按光子数量衡量。超过1的量子效率反映了前述交叉弛豫机制的存在。
图4 两种无铝纳米颗粒掺杂光纤的效率随长度的变化。右轴为吸收泵浦斜率效率，左轴为该效率乘以1950/793后的换算值
光纤的背景损耗也得到了改善。团队根据实验数据分析得到高、低浓度光纤在1950 nm处的背景损耗分别为95 dB/km和64 dB/km。其中，高浓度样品相较团队此前未引入钡的纳米颗粒掺杂光纤，背景损耗由420 dB/km降至95 dB/km。结合前面的效率结果可以看出，新方案在降低平均铥浓度的同时，兼顾了较高的量子效率和较低的背景损耗。
在完成基础表征后，研究人员选用约6 m长的低浓度光纤，进一步提高泵浦功率，在1950 nm处获得了约43 W的连续激光输出，相对于吸收泵浦功率的实测斜率效率为63%。
这些实验结果表明，不依赖铝共掺，也不必维持较高的整体铥浓度，仍然可以获得高效的铥光纤激光输出。接下来，该团队计划继续优化纳米颗粒组成和平均掺杂浓度，采用经过形状设计的包层改善泵浦吸收，为更高功率、乃至千瓦级的实验做准备。
