自掺铋材料的超宽带近红外发光现象被发现以来,各国研究人员都相继投入到掺铋材料的研究工作当中。1999年,Fujimoto等首次发现掺铋硅酸盐玻璃在峰值波长1150 nm处有宽带荧光福射,半高全宽为150nm。随后,在2001年Fujimoto等又报道了铋掺杂铝硅酸盐玻璃在500 nm光波激发下产生超宽带福射1000-1600 nm,峰值1140 nm处的能级寿命为630μs,半高全宽达到220 nm。2003年,他们又在掺铋石英玻璃中观察到了 1.3μm光信号的放大现象。随后在一系列掺铋玻璃中都观察到近红外宽带发光。2005年,Dianov等首次利用改进型化学气相沉积(Modified chemical vapor deposition, MCVD)技术制作出掺铋光纤,其发光谱半高全宽为200 nm,发射截面高达6 x 10 cm。随后在掺铋桂酸盐光纤中观察到了 1300-1500 nm范围内的光放大和激射现象。我国一些科研机构也对掺铋增益材料进行了系统研究。J. Ren等人在掺铋锗酸盐玻璃中研究了1272 - 1348 nm连续波长范围内的光放大现象,因此掺铋光纤在未来超宽带光放大器件中有望扮演重要的角色。
作为一种新型的有源放大介质材料,其可以用来制作激光器。2005年,Dianov等成功研制出1150-1215nm的连续波掺铋激光器。随后,他们又报道了输出功率高达15W的连续波掺铋激光器,并且首次报道了锁模掺铋激光器。在2008年,Bufetov等和Dvoyrin等分别报道了工作在1300-1470nni的掺铋光纤激光器和1443-1459nm范围的掺铋光纤激光激射现象。而在2009年,Dianov等首次报道了掺铋光纤在1470-1550nm范围的激射现象, Samuli Kivisto等人报道了 1.9ps脉冲锁模铋掺杂全光纤激光器, Firstov等报道工作波长在1280nm、1330nm、1480nm和1550nm的掺铋光纤激光器,最高输出功率达2W,转换效率为14-25%。2010年,Dvoyrin等实现了工作波长为1179nm、转换效率为28%的全光纤激光器。2011年,Bufetov等在只掺铋的石英光纤中首次观察到增益激射现象,A.-P. Luo等人基于非线性偏振旋转技术实现了可调谐和可开关的双波长锁模惨铋全光纤环形激光器。2012年,A.V.Shubin等首次报道了最高输出功率高达20W、转换效率为50%、输出波长约为M60nm的铋锗共掺光纤激光器,同时实现了 1389-1538nm波长范围的激光激射。2013年,ReginaGumenyuk报道了工作在正常色散和反常色散机制下的1.32μm锁模掺铋光纤激光器。
V. V. Dvoyrin等人第一次利用掺铋光纤在1430-1495 nm范围内实现了信号的净增益大于0,光纤芯组成成分比例为4.5Al203-95.5Si02,铋的浓度不超过0.02 at.%。福射带峰值位于1430 nm,其光谱半宽为100 nm。Young-Seok Seo等人利用810nm泉浦光激发掺铋石英光纤,在1308 nm波长处获得了放大现象,增益系数达到了 0.038dB/mW,实验用的掺铋光纤组份为92.0Si02- 7AI2O3 -1.0Bi2O3(mol%). J. Ren等人利用掺铋锗酸盐玻璃在1272-1348 nm波段内实现了光信号的放大,玻璃组份为80Geo2-10MgO-10Al203-1.0Bi203 (mol%)。所用的泵浦光波长是808nm,在泵浦功率为800mW时,1298nm波长处的增益为3.69dB。Young-Seok Seo等人利用5.0 cm长掺铋光纤,在1310 nm波长实现了 9.6dB的增益。泵浦光源为808 nm激光器,功率为100 mW。此实验也在第二通信窗口观察到两个波长的同时放大现象。Psaila N等人利用超快激光在掺铋玻璃上雕刻波导,基底玻璃组份为92.0Si02- 7AI2O3 -1.0Bi2O3(mol%) 。波导长度为5mm,980nm泵浦源的功率为600rnW, 1250-1520nm范围内实验观察到放大现象。本项目组在可调谐掺银光纤激光器和掺铋光纤研制、近红外宽带福射特性及光放大方面,己开展了大量的理论和实验研究。2012年Y. Luo用52cni掺铋光纤和830imi泵浦激光器,实现了 1350-1470nm范围的光放大,其开关增益系数可达4dB/m。Y. Luo利用新的MCVD车床和拉丝塔,成功拉制了铋铒共掺杂的石英光纤,当用532nm、808nm和980nm半导体激光器泵浦时,产生了 1000-1570mn的超宽荧光谱;而且利用一个830nm半导体泵浦激光器,在自制的掺铋光纤中观察到1030-1560nm的超宽光福射。
在国内,中国科学院上海光学精密机械研究所、华中科技大学、华南理工大学、昆明理工大学、上海大学、华南师范大学、浙江大学、宁波大学、同济大学等高校和科研机构也开展了铋掺杂玻璃和铋掺杂光纤的相关研究,制备出了各种组分的铋掺杂玻璃,获得了 附近的超宽带荧光谱,分析了铋掺杂玻璃的光学特性;并试制单包层、双包层掺铋光纤,对其光谱特性进行研究,开发基于掺铋光纤的光纤放大器和光纤激光器国内外学者进行的可调谐光纤激光器的相关研究大多数采用Er3+掺杂的石英光纤作为增益介质,工作在C波段和L波段。虽然最近关于掺铋光纤取得的研究成果为开发工作波长位于1100-1600nm波段范围的新型宽带光纤放大器和激光其提供了基础,其前景广阔,但是在这些光纤激光器被实际应用之前,仍有许多基础的科学问题和关键的技术问题函待解决,比如:铋元素近红外福射中心的本质仍有争议,掺铋光纤的光谱特性、光增益及激光激射基本机理了解的还很少。如何进一步提高掺铋光纤器件的性能,特别是如何实现1100-1600nm全波段的光放大和激光激射等等,仍需开展大量的研究。
