光纤无处不在 - 我们的家庭互联网、汽车、医疗办公室、电信等都采用光纤来提供我们所依赖的服务。
如今，特种光纤可以为您的汽车带来防撞功能，实现疤痕最小的精密手术，诊断眼部疾病，还可以远程感知发电厂的温度变化或大型桥梁的物理应变。在许多此类应用中，光纤已经取代了铜线，因为它具有更高的数据速率和/或更轻的重量。
一切的开始都是当工程师们意识到光可以有效地通过光纤（一种细玻璃线）传输时。
这些不同的应用需要多种不同类型的光纤。不用于电信传输的光纤通常统称为“特种光纤”。
就其对众多行业和技术的广泛影响而言，特种光纤最重要的应用之一是用于产生激光和放大激光。
这种特殊化通常是由稀土元素实现的。玻璃中含有少量的一种或多种这些元素。稀土掺杂剂的使用，可以提高特种光纤目标应用所需的波长和功率的精度和控制力。
特种光纤需求不断增长
稀土是一组金属元素，包括钕 (Nd)、铒 (Er)、铥 (Tm)、钬 (Ho)、镱 (Yb)。
掺杂稀土金属的光纤可作为激光器的增益介质，针对工业、科学、医疗和航空航天应用进行优化。
这些激光器的最终用途多种多样，包括焊接电动汽车中的“难加工”金属、精密激光手术、标记医疗设备以及远程成像。
Coherent 高意是此类特种光纤的全球领先制造商，每年供应超过 11,000 公里（6,835 英里）的光纤，满足不断增长的需求 - 比从北极到赤道的距离还长！
传统固体激光器和热问题
钕实际上已在激光器中使用了几十年。
在激光发展的早期，科学家发现当钕离子掺杂在玻璃或某些晶体材料（如石榴石或钒酸盐）中时，掺杂的材料可以吸收光，然后将能量重新发射为强激光。这种吸收被称为“泵浦”，多年来，泵浦光一直由强闪光灯提供。
为了减少这些激光器产生的有害废热，Coherent 高意和其他激光器制造商用半导体（二极管激光器）芯片取代了灯泡，从而制造出了二极管泵浦固体 (DPSS) 激光器。
但虽然热量减少了，但肯定没有消除。并且热量仍然必须从晶体中间流向周围的冷却水。
随后电信领域指出了一个创新的解决方案。
光纤 - 未来的形态
因为在基于光纤的长距离电信领域，工程师们发现还有另一个看似不相关的光子技术挑战需要应对。长距离（即跨洋传输）是一个问题，因为光信号在光纤中传输的距离有限，在微小损耗最终导致其消失。
1987 年，掺铒光纤放大器 (EDFA) 的出现，成为了解决方案。
工程师们证明，掺杂铒离子的光纤可以吸收二极管激光器的光并充当激光放大器。具体来说，EDFA 直接增强（放大）沿光纤传输的任何光信号。这种全光信号放大已被证明是我们今天生活的数字化全球世界的关键。
光纤激光器和放大器
光纤激光放大器还为激光工程师展示了一条用于科学和工业应用的高功率激光器的途径，并且无需担心冷却问题。很快就开发出了一系列基于相同类型稀土掺杂的特种光纤，这些光纤被用于制造光纤激光器和高功率放大器。这些基于光纤的激光系统的功率从几瓦到kW不等，现在支持极其多样化的应用，包括钻孔、切割、焊接和打标等高效的材料加工应用。事实上，光纤激光器在其中一些应用中占据主导地位。
图 1（上图）显示了可见光、红外光和人眼安全波长的光谱。
光纤激光器占据主导地位的另一个领域是医疗应用。掺铥光纤广泛应用于泌尿科和碎石治疗，因为铥光纤激光器产生更高的脉冲率，从而产生更小的结石碎片，从而减少患者的不适并加快康复。
水在 1400 nm 左右的波长处开始吸收强光，这使得波长比这更长的波可用于医疗（例如，外科消融）应用，同时实现远程光纤传输。由于水的这种吸收性，1400 nm 通常被认为是人眼安全激光的截止波长；波长更长的波可以安全地被眼睛外部的水吸收，不会穿透到视网膜上。这使得这些不可见的波长在创新应用中也很有用，例如雷达成像、汽车安全系统和自动驾驶汽车。
数千种不同的掺杂光纤选项
图 2 总结了五种常用的稀土离子 Nd、Er、Yb、Tm 或 Ho 的波长特性：发射波长和所需的泵浦波长。Yb 在超短脉冲 (USP) 激光器中越来越受欢迎，因为其相对较宽的发射带宽支持脉冲短至 50 飞秒的锁模光纤激光器和脉冲仅为几百飞秒 (fs) 的放大（即高功率）系统，如 Coherent Monaco 系列。
五种常用的稀土离子 Nd、Er、Yb、Tm 和 Ho 的波长特性。红色曲线表示光纤中使用的玻璃主体的衰减情况。
除了五种单独的掺杂剂外，Coherent 高意还提供同时掺杂 Er 和 Yb 的特种光纤。Er 作为增益介质，根据掺杂浓度在 1550 nm 左右发射。Yb 作为光吸收剂，防止 1 µm左右不必要的放大自发辐射，确保激光系统对人眼完全安全。
Coherent 高意掺杂光纤可用作单模 (SM)、多模 (MM)、保偏 (PM) 和大面积模式 (LMA) 光纤，所有这些光纤在数值孔径 (NA) 和纤芯直径方面都有多种选择。此外，完整的产品线包括单包层、双包层和三包层光纤。这总共包括数千种不同掺杂光纤。除此之外，我们还生产可耐高温、辅助飞机导航、辅助卫星通信等的定制纤维。
并不算稀有的土元素
掺杂光纤及其在激光器和激光放大器中的应用的案例，是睿智的工程师和好运的结合体，在这里一个挑战的解决方案被证明是另一个问题的理想解决方案。最终成果是一种重要的、功率可扩展的激光架构，而这一切都是通过掺杂那些并不太稀有的土元素来支持的。
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