單晶光纖的生長技術(shù)與應(yīng)用研究

張中晗,戴云,2,王陽嘯,2,張振,2,武安華,2,蘇良碧,2,3*

(1中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室,上海 201899;2中國科學(xué)院大學(xué)材料與光電研究中心,北京 100049;3中國科學(xué)院超強激光科學(xué)卓越創(chuàng)新中心,上海 201800)

0 引言

單晶光纖又稱晶體光纖、纖維晶體等,是具有光纖形態(tài)的單晶體[1,2]。由于組成成分與體塊單晶相同,單晶光纖的物理、化學(xué)性能與同成分的晶體材料一致,具有熱導(dǎo)率高、透過波段寬、非線性效應(yīng)弱等優(yōu)勢。同時,單晶光纖具有高長徑比、高比表面積的光纖形態(tài),因此也具有光纖散熱效率高的特點,并能夠利用全反射實現(xiàn)波導(dǎo)形式的光傳輸[3]。由于實現(xiàn)了體塊晶體和光學(xué)光纖的優(yōu)勢互補,單晶光纖有望在高功率激光、中紅外激光、高能射線探測、高溫傳感等方面得到重要應(yīng)用,大幅拓展傳統(tǒng)光學(xué)材料的適用范圍。20世紀80、90年代,隨著激光加熱基座技術(shù)(Laser-heated pedestal growth,LHPG)、微下拉法(Micro-pulling-down method,μ-PD)等單晶光纖制備技術(shù)實現(xiàn)重大突破,單晶光纖作為一種新型的低維化光學(xué)材料,迅速成為光學(xué)材料研究領(lǐng)域的熱點[4,5]。

本文以單晶光纖在激光、閃爍等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用為背景,圍繞幾種重要的單晶光纖生長技術(shù)展開論述,回顧了近年來在單晶光纖制備、器件應(yīng)用和包層設(shè)計等領(lǐng)域的研究進展。

1 單晶光纖的應(yīng)用背景

1.1 高功率激光

采用激光二極管(Laser diode,LD)泵浦的固態(tài)激光器和光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢,是當前最重要的高功率激光光源之一。其中,固態(tài)激光器以Nd:YVO4、Nd:YAG等激光晶體為增益介質(zhì),具有熱導(dǎo)率高、激發(fā)態(tài)壽命長、工作閾值低等優(yōu)點,因此率先取得突破性發(fā)展。早在2000年,研究人員已采用Nd:YAG晶體實現(xiàn)了萬瓦級的激光輸出[6]。然而,激光晶體的體塊形態(tài)不利于廢熱排出,易導(dǎo)致熱透鏡、熱應(yīng)力等熱效應(yīng)。高功率的固態(tài)激光器常需采用復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計與冷卻系統(tǒng)來解決熱效應(yīng),限制了其應(yīng)用范圍。

光纖激光器常用的激光增益介質(zhì)為Yb3+摻雜石英玻璃光纖。由于Yb3+的1 μm激光量子虧損小,且光纖極高的比表面積有利于實現(xiàn)高效散熱,光纖激光器可在避免采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提下實現(xiàn)高功率激光輸出。尤其是隨著雙包層光纖制備與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,1 μm波段Yb3+光纖激光器的功率迅速提升。2009年,IPG Photonics公司報道了世界上首臺功率突破萬瓦的光纖激光器[7],并在2013年,通過合束實現(xiàn)了單臺激光系統(tǒng)100 kW的激光輸出[8]。由于成本和可靠性方面的優(yōu)勢,近年來光纖激光器逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域高功率激光器的主流類型。

但由于石英玻璃具有較強的受激布里淵散射(Stimulated Brillouin scattering,SBS)、受激拉曼散射(Stimulated Raman scattering,SRS)等非線性效應(yīng),進一步提升單束光纖的激光功率已經(jīng)十分困難,單束光纖的功率已接近其工程極限[9]。此外,在脈沖工作模式下,由于峰值功率極高,非線性效應(yīng)也成為限制光纖激光器功率的瓶頸問題。在這種情況下,單晶光纖由于兼顧光纖形態(tài)的散熱優(yōu)勢和單晶材料熱導(dǎo)率高、非線性效應(yīng)弱的特點,引起激光材料領(lǐng)域研究人員的重視。

表1對Yb3+摻雜石英光纖和Yb:YAG單晶光纖進行了對比,可以看出Yb:YAG具有更高的熱導(dǎo)率、更低的布里淵增益系數(shù),并且允許最高的稀土摻雜濃度[10]。美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室的Dawson等[11]通過分析指出,Yb:YAG單晶光纖的激光功率理論極限可達16.9 kW,是Yb3+摻雜石英光纖的近9倍。此外,單晶光纖可實現(xiàn)遠超體塊晶體的散熱效率,有利于實現(xiàn)集成化、小型化的激光器件。過去10多年中,研究人員圍繞Yb:YAG、Nd:YAG等傳統(tǒng)強激光晶體的光纖化開展了大量研究,成為單晶光纖研究領(lǐng)域的一個重要課題[12,13]。

表1 Yb3+摻雜石英光纖與Yb:YAG單晶光纖的性能對比Table 1 Comparison of properties between Yb3+doped silica fiber and Yb:YAG single crystal

1.2 中紅外激光

波長2.5～5 μm的中紅外波段包含了多個“大氣窗口區(qū)”和“分子光譜指紋區(qū)”,具有重要的應(yīng)用前景。然而,正如Jackson在其綜述性文獻[14]和論著[15]中所指出的,由于量子虧損大、高濃度摻雜等瓶頸問題,當前中紅外波段激光材料的性能遠遠落后于近紅外波段。表2列舉了幾種典型的光纖和激光晶體的透過波段、聲子能量和熱導(dǎo)率?？梢钥闯?由于透過波段的制約,發(fā)展較為成熟的石英光纖完全不能應(yīng)用于中紅外波段,中紅外激光光纖普遍采用的是稀土離子摻雜的ZBLAN氟化物玻璃光纖。但ZBLAN的軟化溫度Tg僅260～300°C,熱導(dǎo)率僅0.6 W·m-1·K-1,抗激光損傷能力差。此外,為實現(xiàn)Er3+、Dy3+、Ho3+等稀土離子的中紅外激光輸出,ZBLAN光纖中常采用高于5%的摻雜濃度,以增強稀土離子間的能量傳遞效率。高濃度稀土摻雜的玻璃光纖中易產(chǎn)生析晶等缺陷,造成嚴重的傳輸損耗。事實上,商用ZBLAN光纖的傳輸損耗常高達5～30 dB/km,遠高于ZBLAN在2～3 μm波段的理論傳輸損耗[16]。受上述因素的制約,當前采用Er:ZBLAN光纖在～2.8 μm的最高輸出功率僅41.6 W[17],而Dy3+、Ho3+等稀土離子在2.9～3.9 μm的激光輸出功率甚至不足1 W,難以滿足實際應(yīng)用需求。

表2 部分稀土摻雜激光材料的性能對比Table 2 Comparison between several rare earth doped laser materials

從表2中也可以看出,Lu2O3等倍半氧化物和YLF、CaF2等氟化物激光晶體具有透過范圍寬、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點,并且聲子能量低,可有效抑制激發(fā)態(tài)的多聲子弛豫,提高中紅外激光效率。綜合而言,中紅外激光晶體的理化性能全面優(yōu)于玻璃材料。然而,由于量子虧損大、散熱效率低,中紅外激光晶體通常面臨非常嚴重的熱效應(yīng),是制約其激光性能的核心瓶頸[18]。

針對上述問題,研究人員提出了“中紅外單晶光纖”的方案,即將稀土摻雜氟化物、倍半氧化物等中紅外激光晶體制備成單晶光纖的形態(tài),在保持激光晶體高透過率、低聲子能量等性能優(yōu)勢的前提下,利用單晶光纖的高散熱效率解決中紅外激光材料的熱效應(yīng)。研究人員圍繞中紅外單晶光纖的材料設(shè)計、制備技術(shù)等方面開展了大量研究,成為單晶光纖研究領(lǐng)域的另一熱點課題。

1.3 輻射探測

閃爍晶體是能夠吸收X射線、γ射線、中子等高能輻射,并轉(zhuǎn)換為可見波段光子而發(fā)出閃爍光的晶體。理想的閃爍晶體應(yīng)具有輻射吸收能力強、光產(chǎn)額高、抗輻照能力強、衰減時間短、理化性能穩(wěn)定、抗輻照能力強、成本低等特征。Ce摻雜LuxY2-xSiO5(Ce:LYSO)晶體的密度高達7.1 g·cm-3,有效原子序數(shù)Zeff達到了63.5,光產(chǎn)額超過33000 ph·MeV-1,衰減時間約38 ns,被視為綜合性能最優(yōu)異的新一代閃爍晶體材料,在CT/PET醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)探傷等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用;Ce摻雜Lu3Al5O12(Ce:LuAG)的有效原子序數(shù)大,抗輻照能力強,是高能物理實驗裝置中的理想輻射探測材料。然而,如表3所示,上述兩種晶體材料的熔點均超過2000°C,且稀有金屬Lu的質(zhì)量占比超過60%,導(dǎo)致晶體生長的能耗與原料成本非常高。此外,LuAG和LYSO晶體分別具有硬度大和對稱性低的特點,晶體陣列元件的加工成本很高。微下拉法、激光加熱基座法等常用的單晶光纖生長技術(shù)能夠采用少量的原料,直接制備直徑數(shù)百微米至數(shù)毫米的單晶光纖,經(jīng)簡單的切割和端面拋光后即可制作閃爍體探測陣列,可大幅降低晶體生長與元件加工的成本。此外,采用上述生長技術(shù)能夠制備長度達數(shù)十厘米乃至一米的單晶光纖,可突破傳統(tǒng)晶體生長技術(shù)的尺度極限,在對探測深度要求較高的高能物理實驗中具有重要的應(yīng)用價值。近年來,研究人員圍繞Ce:LuAG等閃爍材料單晶光纖的制備與陣列器件研制開展了系統(tǒng)研究,成為單晶光纖應(yīng)用研究的另一個潛在發(fā)展方向。

表3 閃爍晶體Ce:LuAG和Ce:LYSO的性能Table 3 Properties of scintillation crystal Ce:LuAG and Ce:LYSO

2 單晶光纖制備技術(shù)

早期的單晶光纖生長技術(shù)多是基于傳統(tǒng)晶體生長方法發(fā)展而來,例如20世紀70年代LaBelle等[19]生長藍寶石纖維采用的方法和Burrus等[20]制備YAG單晶光纖的技術(shù)既可看成是針對傳統(tǒng)提拉法(Czochralski method)和光學(xué)浮區(qū)法(Floating-zone technique)的改進,也可將其視為導(dǎo)模法和激光加熱基座技術(shù)的雛形。1982年,美國貝爾實驗室的Fejer等在激光加熱浮區(qū)設(shè)備中引入了反射錐面鏡對(Reflaxicon)元件,可將激光束調(diào)制成圓形的加熱環(huán),標志著激光加熱基座晶體生長技術(shù)的發(fā)展成型[4,21]。20世紀90年代初,日本東北大學(xué)(Tohoku University)的Fukuda等發(fā)明了微下拉法晶體生長技術(shù),并將其應(yīng)用范圍迅速推廣至多種材料體系[5,22]。時至今日,微下拉法和激光加熱基座法仍然是最重要的兩種單晶光纖制備技術(shù)。與此同時,導(dǎo)模法由于具有高通量制備、截面形狀可控的優(yōu)勢,亦不斷被研究人員發(fā)展、完善。此外,許多材料領(lǐng)域的研究人員也根據(jù)各自材料體系的特點,設(shè)計、發(fā)展了多種獨特的單晶光纖生長技術(shù)。

2.1 微下拉法

微下拉法晶體生長設(shè)備示意圖如圖1所示。該方法的最大特點是在坩堝底部加工一直徑數(shù)百微米至數(shù)毫米的毛細孔,坩堝內(nèi)的熔體在重力的作用下可通過此毛細孔流出。單晶光纖生長時,將籽晶接觸毛細孔底部流出的熔體,并不斷向下牽引;熔體經(jīng)過坩堝底部的溫度梯度區(qū)間時即發(fā)生結(jié)晶。在溫度合適的情況下,毛細孔處的熔體表面張力能夠維持晶體生長界面附近熔區(qū)的穩(wěn)定,從而實現(xiàn)單晶光纖的穩(wěn)定生長[23]。

圖1 微下拉法晶體生長設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic of a μ-PD crystal growth apparatus

相比于傳統(tǒng)晶體生長方法,微下拉法大幅降低了晶體生長的原料和能耗成本。由于結(jié)晶區(qū)間的溫度梯度大,微下拉技術(shù)可采用1 mm·min-1量級的拉速進行晶體生長,遠大于傳統(tǒng)體塊單晶1 mm·h-1量級的晶體生長速度。此外,微下拉技術(shù)中可根據(jù)不同材料的熔點、粘度、表面張力和揮發(fā)性選擇合適的坩堝和溫場,適用范圍涵蓋氧化物、鹵化物、金屬等多種材料體系。

微下拉技術(shù)中,坩堝底部的毛細孔結(jié)構(gòu)、坩堝與熔體之間的浸潤性(Wettability)對結(jié)晶界面形態(tài)有著決定性影響,是微下拉法晶體生長最重要的影響因素。如圖2(a)所示,當坩堝與熔體浸潤性較高時,熔體極易從毛細孔流出,并迅速布滿坩堝底部。此時,可設(shè)計臺階狀坩堝底,維持熔區(qū)穩(wěn)定。圖2(c)是采用鉑金坩堝生長Bi4Ge3O12(BGO)單晶光纖時的結(jié)晶界面,可以看出,BGO熔體布滿坩堝底部,固液界面完全暴露在坩堝外[24]。另一種極端情況是坩堝與熔體完全不浸潤,對應(yīng)圖2(b)所示的情況,此時晶體生長界面通常處于毛細孔內(nèi)部。圖2(d)是采用玻璃碳坩堝(Vitreous carbon crucible)生長LiLuF4單晶光纖時的坩堝底部照片。由于LiLuF4熔體與玻璃碳的浸潤性極差,圖2(d)中完全觀察不到晶體生長界面。實際晶體生長過程中,過高或者過低的浸潤性都是不利的,前者會導(dǎo)致熔區(qū)形態(tài)對溫度波動過于敏感,造成生長不穩(wěn)定[24];后者則由于固液界面的不可視,導(dǎo)致晶體生長難以控制。研究人員常綜合參考材料的熔點、腐蝕性和浸潤性選擇坩堝材質(zhì),并設(shè)計合適的毛細孔結(jié)構(gòu)。

圖2 (a)坩堝與熔體完全浸潤情況下的熔區(qū)形態(tài);(b)坩堝與熔體完全不浸潤情況下的熔區(qū)形態(tài);(c)微下拉法生長BGO單晶光纖的熔區(qū)形態(tài)[23];(d)微下拉法生長LiLuF4單晶光纖的熔區(qū)形態(tài)Fig.2 (a)Schematic of growth interface with good wettability between crucible and melt;(b)Schematic of growth interface with poor wettability between crucible and melt;(c)The growth interface of BGO using platinum crucible[23];(d)The growth interface of LiLuF4using vitreous carbon crucible

由于適用的材料體系非常廣泛,微下拉法晶體生長技術(shù)很快得到應(yīng)用推廣。除該技術(shù)的發(fā)明單位日本東北大學(xué)之外,法國里昂第一大學(xué)(Claude Bernard Lyon 1 University)采用微下拉法開展了高長徑比氧化物單晶光纖的晶體生長研究,制備了一系列稀土摻雜YAG[25]、LuAG[26-28]、Al2O3[29]單晶光纖。此外,意大利比薩大學(xué)(Pisa University)、巴西圣保羅核能研究所(Instituto de PesquisasEnerg′eticas e Nucleares,IPEN)和日本東北大學(xué)的研究團隊則將微下拉技術(shù)應(yīng)用于氟化物單晶光纖的生長,制備了一系列稀土摻雜的LiYF4[30,31]、LiLuF4[32-34]、KY3F10[35,36]單晶光纖。2014年,山東大學(xué)在國內(nèi)首先報道了微下拉法單晶光纖生長設(shè)備的研制[37],并開展了一系列氧化物單晶光纖的制備與性能研究[37-40]。隨后,江蘇師范大學(xué)、中國電子科技集團重慶26所等高校和科研單位也公開報道了微下拉法晶體生長實驗結(jié)果[41,42]。近年來,國內(nèi)外科研單位采用微下拉法生長的部分單晶光纖圖片如圖3所示。

圖3 (a)法國里昂第一大學(xué)生長的Ce:LuAG單晶光纖[3];(b)山東大學(xué)制備的Nd:YAG單晶光纖[37];(c)意大利比薩大學(xué)生長的Ho:LiLuF4單晶光纖[32];(d)巴西核能研究所制備的LiYF4單晶光纖[30];(e)日本東北大學(xué)生長的KY3F10單晶光纖[35]Fig.3 (a)Ce:LuAG single-crystal fibers(SCFs)grown by Claude Bernard Lyon 1 University[3];(b)Nd:YAG SCFs grown by Shandong University[37];(c)Ho:LiLuF4 SCFs grown by Pisa University[32];(d)LiYF4SCFs grown by IPEN[30];(e)KY3F10 SCFs grown by Tohoku University[35]

2.2 激光加熱基座法

盡管適用范圍廣,受到坩堝毛細孔尺寸、熔體表面張力等因素的制約,微下拉法主要適用于制備直徑0.5～2 mm的單晶光纖。這一尺寸介于光學(xué)光纖和小晶體棒之間,尚不能完全發(fā)揮單晶光纖的高比表面積和光波導(dǎo)優(yōu)勢。研究人員希望制備直徑百微米量級甚至更細的單晶光纖,實現(xiàn)真正意義上的單晶光纖激光器件?，F(xiàn)階段,唯一能夠制備如此小直徑的“柔性單晶光纖”的方法是激光加熱基座法(LHPG)晶體生長技術(shù)。

LHPG晶體生長裝置采用激光作為加熱源,由于其晶體生長方式與光學(xué)浮區(qū)法相近,又被稱作激光浮區(qū)法(Laser floating zone,LFZ)。典型的LHPG晶體生長設(shè)備的工作原理如圖4所示。LHPG設(shè)備多采用波長10.6 μm的CO2激光器作為加熱源,加熱激光束經(jīng)擴束、準直后入射至反射錐面鏡對(Reflaxicon),調(diào)制為能量均勻分布的環(huán)形光束。此環(huán)形光束經(jīng)平面反射鏡和拋物面聚焦鏡調(diào)制后,在晶體結(jié)晶界面附近匯聚成加熱光圈,持續(xù)加熱熔體。相比傳統(tǒng)光學(xué)浮區(qū)法,LHPG設(shè)備采用單束加熱光源即可實現(xiàn)徑向均勻的環(huán)形加熱,并且得益于激光的高準直性,這一激光加熱環(huán)的尺寸極小,可穩(wěn)定維持尺寸為百微米乃至十幾微米的熔區(qū),從而使單晶光纖的直徑突破百微米量級。

圖4 激光加熱基座法晶體生長設(shè)備示意圖Fig.4 Schematic of a LHPG crystal growth apparatus

LHPG晶體生長過程中,由單晶或者陶瓷構(gòu)成的原料棒(簡稱“料棒”)固定于底部的饋送桿,料棒頂部經(jīng)激光加熱光環(huán)加熱熔化,形成熔區(qū)。籽晶從頂部接觸熔區(qū),并隨后向上提拉,即可實現(xiàn)單晶光纖的生長;同時,料棒以一定的速度向上饋送,補償結(jié)晶的原料。如果以方形晶體棒為料棒,在不考慮熔體揮發(fā)的情況下,料棒橫截面邊長Ds、單晶光纖直徑Dc、料棒饋送速率Vs與單晶光纖提拉速度Vc之間的關(guān)系為

為了保持晶體生長穩(wěn)定,通常將單晶光纖的直徑控制為料棒尺寸的1/2～1/3。為獲得直徑更小的單晶光纖,可將生長得到的單晶光纖作為料棒,進行二次乃至多次LHPG生長,逐次縮小單晶光纖的尺寸。此時的料棒為圓柱形,(1)式中的關(guān)系變?yōu)?/p>

除了能夠生長直徑更小的單晶光纖,LHPG方法還具有如下優(yōu)勢:

1)由于結(jié)晶界面處的溫度梯度高達103～104K·cm-1,LHPG技術(shù)可實現(xiàn)高達數(shù)mm·min-1的晶體生長速度[43,44]。

2)晶體生長過程不需要采用坩堝,不僅可以避免坩堝造成的污染,而且能夠擺脫坩堝熔點的限制,在制備倍半氧化物、ZrO2等熔點極高的材料時具有很大優(yōu)勢[45]。

近年來,國際上多個研究機構(gòu)將LHPG技術(shù)視為激光晶體光纖化的有力手段而開展研究,其中以美國Shasta Crystals Inc.公司[46]、羅特斯大學(xué)(Rutgers University)[47-49]、美國陸軍研究實驗室(US Army Research Laboratory)[50]、美國海軍研究實驗室(US Naval Research Laboratory)[51-53]最具代表性。圖5列舉了上述研究機構(gòu)采用LHPG技術(shù)制備的YAG單晶光纖,可以看出其均已掌握了直徑小于100 μm的單晶光纖的制備技術(shù)。其中Shasta Crystal Inc.和美國海軍研究實驗室均報道了直徑小于40 μm的單晶光纖的制備,顯示出LHPG技術(shù)在生長小尺寸單晶光纖時的顯著優(yōu)勢。

圖5 來自Shasta Crystals Inc.(a)[46]、Rutgers University(b)[47]和US Naval Research Laboratory(c)[51]的研究團隊采用LHPG技術(shù)制備的YAG單晶光纖Fig.5 YAG SCFs grown using LHPG technique by researches from Shasta Crystals Inc.(a)[46],Rutgers University(b)[47]and US Naval Research Laboratory(c)[51]

降低單晶光纖的傳輸損耗(Attenuation loss)是單晶光纖實用化的重要前提,而提高單晶光纖的直徑均勻性和表面質(zhì)量是降低傳輸損耗的重要措施。如圖6所示,Liu等[54]分析了激光加熱功率與熔區(qū)形態(tài)之間的關(guān)系,總結(jié)出經(jīng)驗公式

圖6 LHPG設(shè)備的CO2激光器加熱功率與熔區(qū)的關(guān)系[54]Fig.6 Relationship between CO2laser power and the volume of molten zone in a LHPG growth[54]

式中P為CO2激光器的加熱功率,V是熔區(qū)體積。從(3)式可以看出,LHPG生長過程中,即使保持拉速比穩(wěn)定不變,CO2激光加熱功率的波動、熔區(qū)位置偏移等不可控因素也會造成熔區(qū)總體積的變化,進而影響結(jié)晶界面的穩(wěn)定性,造成單晶光纖直徑的起伏。

為提高單晶光纖的直徑均勻性,一方面可優(yōu)化CO2激光器的控制系統(tǒng),提高輸出功率的穩(wěn)定性[48];另一方面,國際上多個課題組在LHPG設(shè)備上發(fā)展了直徑反饋控制功能,以消除不可控因素的影響。如圖7(a)所示,該直徑反饋控制系統(tǒng)采用激光測徑儀實時測量單晶光纖的直徑,然后根據(jù)單晶光纖實際生長直徑與預(yù)設(shè)值的偏差,實時反饋、調(diào)控CO2激光器的加熱功率,實現(xiàn)對單晶光纖直徑的控制[46,49]。如圖7(b)所示,Maxwell等[46]通過采用直徑自動控制系統(tǒng),成功將單晶光纖的直徑波動由±6.5%優(yōu)化至1%以內(nèi)。

圖7 (a)LHPG晶體生長設(shè)備中的直徑反饋控制系統(tǒng)設(shè)計[49];(b)直徑反饋控制系統(tǒng)的實驗效果[46]Fig.7 (a)Schematic of LHPG growth apparatus equipment with diameter measurement and feedback control system[49];(b)Result of automatic diameter control system[46]

單晶光纖表層的結(jié)晶面是造成散射損耗的另一個重要因素。如圖8(a)所示,Nie等[49]觀察到,非定向生長的直徑330 μm的YAG單晶光纖表層常會出現(xiàn)大量尺寸約20 μm、起伏高度約40 nm的結(jié)晶面,此類自然結(jié)晶面也常出現(xiàn)在藍寶石單晶光纖的表面[55]。采用全反射通光時,這樣的結(jié)晶面將會造成嚴重的表面散射損耗。如圖8(b)所示,Nie等[49]通過采用特殊方向的籽晶(取向為[100]向[110]偏轉(zhuǎn)15°),可抑制表層自然結(jié)晶面的形成,得到表面均勻光滑的YAG單晶光纖。

圖8 采用(a)非定向和(b)特定方向籽晶生長的YAG單晶光纖表面和截面形態(tài)[49]Fig.8 The surface and cross-section of YAG single-crystal fibers grown using(a)unoriented seed and(b)a special oriented seed[49]

不僅如此,采用特殊方向籽晶生長YAG單晶光纖,可削弱YAG的“核芯”結(jié)構(gòu)對其光學(xué)均勻性的不利影響,進一步提高單晶光纖的徑向光學(xué)均勻性[56]。如圖9所示,Nie等[49]通過在LHPG技術(shù)中采用直徑反饋控制功能,提高了單晶光纖的直徑均勻性,并利用定向籽晶生長消除了單晶光纖的表層結(jié)晶面,成功將YAG單晶光纖的傳輸損耗降低至0.3 dB·m-1@1064 nm。

圖9 采用定向籽晶生長的YAG單晶光纖的傳輸損耗[49]Fig.9 Attenuation loss of YAG single-crystal fiber grown by LHPG technique[49]

早在20世紀80、90年代,浙江大學(xué)等國內(nèi)科研單位已開展了Al2O3單晶光纖的研制[1,2]。近年來,隨著國際上單晶光纖研究的發(fā)展,LHPG技術(shù)再次得到了國內(nèi)研究團隊的重視。2016年起,山東大學(xué)通過引進LHPG設(shè)備,陸續(xù)開展了YAG、MgAl2O4、Al2O3等單晶光纖的研制[57-59],其LHPG設(shè)備以及生長的部分單晶光纖如圖10(a)所示。隨后,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所也通過研制LHPG晶體生長設(shè)備,開展了稀土摻雜YAG、LuAG、Al2O3等單晶光纖的研制,其LHPG設(shè)備以及單晶光纖晶體生長結(jié)果如圖10(b)所示[60,61]?，F(xiàn)階段,國內(nèi)研究團隊已經(jīng)掌握了直徑小于200 μm的單晶光纖的制備技術(shù),單晶光纖最大長度超過700 mm,正逐漸縮小在LHPG設(shè)備研制、單晶光纖制備技術(shù)等方面同國際領(lǐng)先水平的差距。

圖10 (a)山東大學(xué)的LHPG單晶光纖生長設(shè)備以及生長的MgAl2O4、YAG單晶光纖[58,59];(b)上海硅酸鹽研究所研制的LHPG單晶光纖生長設(shè)備以及生長的稀土摻雜YAG、LuAG、Al2O2單晶光纖[60,61]Fig.10 (a)LHPG apparatus in Shandong University and the grown MgAl2O4、YAG SCFs[58,59];(b)LHPG apparatus in Shanghai Institute of Ceramics and the grown YAG,LuAG,Al2O3SCFs[60,61]

2.3 導(dǎo)模法

不同于μ-PD和LHPG技術(shù),導(dǎo)模法(Edge-defined film-fed growth,EFG)是一種可以生長光纖狀、管狀、平板等各種異形晶體的通用晶體生長技術(shù),其重要應(yīng)用之一是生長藍寶石(Al2O3)單晶光纖。藍寶石光纖由于透過波段寬、光損傷閾值高,可用于傳導(dǎo)Er:YAG的～3 μm中紅外激光,在醫(yī)療領(lǐng)域具有重要應(yīng)用;此外,由于熱穩(wěn)定性高,藍寶石光纖也可用于高溫傳感器[62]。在上述應(yīng)用的推動下,研究人員在20世紀70年代即開展了導(dǎo)模法生長藍寶石單晶光纖的研究[63,64]。一種典型的導(dǎo)模法技術(shù)原理如圖11(a)所示[65]。通過設(shè)計帶有毛細管狹縫的模具(通常采用鉬材質(zhì)),Al2O3熔體可利用毛細作用上升至頂部出口;此時以籽晶接觸熔體并向上牽引,可實現(xiàn)Al2O3晶體的穩(wěn)定生長,晶體的截面形狀取決于毛細孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計。實際應(yīng)用中,可設(shè)計具有多個毛細管的模具,實現(xiàn)藍寶石單晶光纖的高通量制備。圖11(b)展示了單爐次生長100根直徑150～300 μm藍寶石單晶光纖的實驗結(jié)果[66]。除藍寶石單晶光纖外,EFG也可被用來生長MgAl2O4、LiNbO3、金屬等材料。

圖11 (a)導(dǎo)模法晶體生長原理;(b)采用導(dǎo)模法高通量制備的藍寶石單晶光纖[66]Fig.11 (a)Schematic of EFG crystal growth;(b)The high-throughput growth of sapphire SCFs[66]

2.4 甚多微孔坩堝法

氟化物晶體具有聲子能量低、透過波段寬等特點,是一類非常重要的激光材料和閃爍材料。然而氟化物熔體揮發(fā)性強,且晶體生長過程中必須嚴格避免含氧雜質(zhì)的污染,導(dǎo)致氟化物單晶光纖的生長十分困難。有關(guān)氟化物單晶光纖生長的報道多采用裝配高真空爐腔的微下拉晶體生長設(shè)備[30-36],并且僅限于LiYF4、KY3F10等熔點較低的氟化物材料。針對氟化物材料晶體生長的特點,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的研究人員發(fā)展了“甚多微孔坩堝”單晶光纖生長技術(shù),實現(xiàn)了CaF2、SrF2等高熔點、高揮發(fā)性氟化物單晶光纖的制備?！吧醵辔⒖综釄濉钡牧Ⅲw結(jié)構(gòu)與縱向剖面圖分別如圖12(a)、(b)所示。坩堝通常采用等靜壓石墨材質(zhì),坩堝的上裝料倉與下裝料倉通過多個直徑為數(shù)百微米至2 mm的“微孔”結(jié)構(gòu)相連。如圖12(c)所示,在坩堝裝填氟化物原料并密封后,即可放置于坩堝下降法晶體生長設(shè)備中進行升溫化料。隨著坩堝自高溫區(qū)向下移動并通過溫度梯度區(qū)間,“微孔”底部熔體首先凝固結(jié)晶,并隨著坩堝下降不斷向“微孔”頂部生長,最終結(jié)晶成尺寸、形狀與“微孔”一致的單晶光纖。此外,“甚多微孔坩堝”也用于溫度梯度法(Temperature gradient technique,TGT)晶體生長設(shè)備中,其結(jié)晶過程也可由圖12(c)進行描述[67]。

圖12 (a)“甚多微孔坩堝”的立體結(jié)構(gòu)圖;(b)“甚多微孔坩堝”的縱向剖面圖;(c)采用“甚多微孔坩堝”生長氟化物單晶光纖的過程示意圖[67]Fig.12 (a)Schematic of“multi-microchannel crucible”;(b)Cross-view of the “multi-microchannel crucible”;(c)Crystallization of SCFs using “multi-microchannel crucible”[67]

“甚多微孔坩堝”生長技術(shù)中,氟化物熔體密閉于坩堝內(nèi)部,可有效抑制熔體揮發(fā)。由于氟化物熔體與石墨不浸潤,結(jié)晶后的單晶光纖易與坩堝分離,并且能夠避免“微孔”表層微小缺陷對單晶光纖表面質(zhì)量的影響[67,68]。此外,可通過在“甚多微孔坩堝”中設(shè)計多個由上裝料倉、下裝料倉和“微孔”構(gòu)成的獨立晶體生長區(qū)間,實現(xiàn)單批次多根、多組分單晶光纖的高通量制備,在材料探索和批量化生產(chǎn)方面具有優(yōu)勢。采用“甚多微孔坩堝”生長技術(shù)制備的部分氟化物單晶光纖如圖13所示[67,69-72]。

圖13 采用“甚多微孔坩堝”技術(shù)制備的Nd:CaF2單晶光纖(a)[67]、Tm:CaF2單晶光纖(b)[69,70]、Tm:SrF2單晶光纖(c)、Er:SrF2單晶光纖(d)[71,72]Fig.13 Nd:CaF2SCFs(a)[67],Tm:CaF2SCFs(b)[69,70],Tm:SrF2SCFs(c)and Er:SrF2SCFs(d)[71,72]grown using the“multi-microchannel crucible”

3 單晶光纖的應(yīng)用研究

近年來,研究人員圍繞單晶光纖的應(yīng)用技術(shù)開展了大量研究,本節(jié)將分別介紹基于單晶光纖的激光放大器件、中紅外激光技術(shù)和閃爍探測器件。此外,采用LHPG技術(shù)制備的柔性單晶光纖有望實現(xiàn)全光纖化的高功率激光器件,是單晶光纖最主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一;但由于此類應(yīng)用必須解決單晶光纖的包層制備等關(guān)鍵技術(shù),因此相關(guān)內(nèi)容將在下一章節(jié)與單晶光纖包層制備技術(shù)共同展開討論。

3.1 激光放大器件

微下拉法制備的單晶光纖直徑在0.5～2 mm之間,通常不可彎折,因此不適合采用雙包層石英光纖的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計。但這類單晶光纖的光學(xué)均勻性高、激光增益高,是緊湊型激光放大器件的理想增益介質(zhì)。圍繞上述應(yīng)用,以法國高等光學(xué)學(xué)校(Laboratoire Charles Fabry,Institutd’Optique)和Fibercryst公司的研究工作最具代表性。2012年,法國高等光學(xué)學(xué)校的D′elen等[73]采用微下拉法制備的直徑1 mm、長度40 mm的Yb:YAG單晶光纖搭建了激光放大器。由于激光放大器件能夠容許比激光振蕩器件更高的傳輸損耗,實驗中的Yb:YAG單晶光纖并未制備包層結(jié)構(gòu),如圖14(a)所示,泵浦光束主要沿單晶光纖靠近中心的區(qū)域傳播。如圖14(b)所示,采用上述激光放大裝置,實現(xiàn)了平均功率超過250 W的連續(xù)波模式(Continuous-wave,CW)激光輸出。

圖14 采用微下拉法制備的Yb:YAG單晶光纖搭建的激光放大器件(a)及其CW模式激光性能(b)[73]Fig.14 (a)Laser setup using Yb:YAG SCFs grown by μ-PD method;(b)CW laser performance using various OC mirrors[73]

由于單晶光纖能夠承載非常高的通光功率密度,用于高峰值能量的脈沖放大時具有顯著優(yōu)勢[74]。2013年,D′elen等[75]報道了Yb:YAG單晶光纖對短脈沖激光的放大結(jié)果,實現(xiàn)了脈寬小于550 fs的激光輸出,輸出光斑的光束質(zhì)量M2＜1.1,重復(fù)頻率10 kHz～10 MHz,對應(yīng)的平均輸出功率為10～23 W。2016年,法國高等光學(xué)學(xué)校的Lesparre等[76]采用分割脈沖放大技術(shù)(Divided pulse amplification,DPA),利用Yb:YAG單晶光纖實現(xiàn)了對皮秒級脈沖的能量放大,在12.5 kHz重復(fù)頻率下實現(xiàn)了脈沖寬度6 ps的2 mJ激光輸出,峰值功率達到310 MW。上述單晶光纖DPA激光放大實驗以及激光輸出結(jié)果如圖15所示。

圖15 (a)采用1%Yb:YAG單晶光纖的分割脈沖放大實驗裝置;(b)雙程放大后的脈沖能量、輸出功率以及合成效率隨重復(fù)頻率的變化[76]Fig.15 (a)Experimental setup of the high-energy divided pulse amplifier stage containing a 1%Yb:YAG SCF;(b)Output pulse energy,output power and combining efficiency versus repetition rate obtained after double-pass amplification[76]

與此同時,法國Fibercryst公司推出了以Yb:YAG和Nd:YAG單晶光纖作為激光增益介質(zhì)的放大器模塊Taranis Module。如圖16所示,Taranis模塊的體積小于70 mm×50 mm×50 mm,正常工作僅需簡易水冷配置。采用基于Yb:YAG單晶光纖的Taranis Module,以400 mW的脈沖激光為種子源,可實現(xiàn)平均功率12 W、脈沖寬度為350 fs的激光輸出;以39 W的CW激光為種子源,可實現(xiàn)130 W的CW激光放大。作為首款實用化的單晶光纖激光器件,Taranis的研制對于單晶光纖的研究具有重要意義。

圖16 (a)基于Yb:YAG單晶光纖的Taranis激光放大器;(b)Taranis激光放大器的使用方式Fig.16 (a)The SCF laser amplifier Taranis module;(b)Laser set-up using Taranis module

3.2 中紅外激光技術(shù)

氟化物晶體的中紅外透過率高、聲子能量低,有利于實現(xiàn)更高的中紅外激光效率。但氟化物材料的熱學(xué)與機械性能差,是制約其激光功率的重要瓶頸。將氟化物晶體制備成單晶光纖,利用其更高的比表面積提高散熱效率,被認為是解決熱效應(yīng)的有效途徑?；谶@一設(shè)計思路,意大利比薩大學(xué)的Veronesi等[32]研究了Ho:LiLuF4單晶光纖的生長及其2.1 μm激光性能,如圖17所述。采用直徑1.3 mm、長度21 mm的0.25%Ho:LiLuF4單晶光纖,實現(xiàn)了功率7.1 W、斜效率41.4%的2.1 μm激光輸出,光-光轉(zhuǎn)換效率9.9%,光束質(zhì)量(M2＜1.12)接近衍射極限。該研究同時指出,通過抑制傳輸損耗以及采用更高長徑比的低濃度摻雜Ho:LiLuF4單晶光纖,有望實現(xiàn)更高功率的2.1 μm激光輸出。

圖17 采用Ho:LiLuF4單晶光纖的激光實驗裝置以及2.1 μm激光輸出結(jié)果[32]Fig.17 Experimental setup,beam quality and 2.1 μm laser performance using Ho:LiLuF4single crystal fibers[32]

而對于Er3+、Tm3+等稀土離子摻雜的中紅外激光材料,必須采用高濃度摻雜(＞10%)來解決中紅外激光的“自終止”效應(yīng)、提高激光效率。但高濃度摻雜將會制約單晶光纖的長徑比,難以發(fā)揮其散熱優(yōu)勢,成為中紅外單晶光纖研究的瓶頸。此時,利用稀土離子在CaF2、SrF2等晶體中的“局域團簇”行為,有望解決中紅外單晶光纖高濃度摻雜的問題。當三價稀土離子RE3+摻雜進入螢石結(jié)構(gòu)(Fluorite-type)的晶格中,將同時引入間隙氟離子以實現(xiàn)價態(tài)平衡。由于螢石結(jié)構(gòu)晶格中的二價堿土陽離子僅“半滿”填充陰離子構(gòu)成的立方框架,[RE3+-]構(gòu)成的偶極對傾向于相互吸引以降低體系能量,形成“局域團簇”結(jié)構(gòu)[77]。由于團簇內(nèi)RE3+離子間的相互作用大幅增強,大幅降低了Er3+、Tm3+等稀土離子的中紅外激光輸出所需的摻雜濃度[78]。利用上述“局域團簇”效應(yīng),2018年,Su等[79]在摻雜濃度僅3%的Er:SrF2晶體中實現(xiàn)了功率超過1 W的～2.8 μm CW激光輸出,表明低濃度摻雜中紅外單晶光纖的研制具有可行性。2019年,Wang等[71]采用“甚多微孔坩堝”單晶光纖生長技術(shù),制備了Er:SrF2單晶光纖。如圖18(a)所示,采用Er3+摻雜濃度為3%的Er:SrF2單晶光纖,實現(xiàn)了功率接近0.9 W的～2.8 μm CW激光輸出,斜效率高達34.9%。如圖18(b)所示,Zhang等[72]采用Er3+摻雜濃度僅為0.5%的Er:CaF2單晶光纖,成功實現(xiàn)了斜效率超過20%的～2.8 μm CW激光輸出。

圖18 (a)采用3%和4%Er3+摻雜SrF2單晶光纖的2.8 μm波段CW激光輸出結(jié)果[71];(b)采用0.5%Er3+摻雜CaF2單晶光纖的2.8 μm波段CW激光輸出結(jié)果[72]Fig.18 (a)2.8 μm CW laser using 3%and 4%Er3+doped SrF2SCFs[71];(b)2.8 μm CW laser using a 0.5%Er3+doped CaF2SCF[72]

除Er3+摻雜材料外,如圖19(a)所示,Wang等[69]采用Tm3+摻雜濃度僅3%的CaF2單晶光纖,實現(xiàn)了功率2.23 W的1.9 μm CW激光輸出,斜效率(64.4%)遠超Stokes極限(～41%),表明Tm3+在CaF2中的“局域團簇”能夠有效增強交叉馳豫,提高Tm3+的1.9 μm激光效率。如圖19(b)所示,采用3%Tm:CaF2單晶光纖,在1.9 μm波段實現(xiàn)了181 nm的波長調(diào)諧范圍,表明Tm:CaF2單晶光纖具有實現(xiàn)可調(diào)諧激光和超快激光的潛力[70]。值得注意的是,上述激光實驗采用的氟化物單晶光纖的直徑為1.9 mm,長度約10 mm。后續(xù)通過采用更高長徑比的單晶光纖,有望進一步提升Er3+、Tm3+等稀土離子的中紅外激光功率。

圖19 (a)3%Tm:CaF2單晶光纖的1.9 μm波段CW激光輸出[69];(b)3%Tm:CaF2單晶光纖的～1.9 μm波段可調(diào)諧激光輸出[70]Fig.19 (a)1.9 μm CW laser output using 3%Tm3+doped CaF2SCFs[69];(b)～1.9 μm tunable laser output using a 3%Tm3+doped CaF2SCF[70]

3.3 閃爍探測器件

高能射線輻射探測是單晶光纖的另一個重要潛在應(yīng)用。由于μ-PD、LHPG等單晶光纖生長技術(shù)可以直接制備外形規(guī)則、長度數(shù)十厘米乃至一米的單晶光纖,在高能物理實驗、空間輻射探測等輻射穿透深度大、空間分辨率高的應(yīng)用場合具有獨特優(yōu)勢。圍繞上述研究內(nèi)容,法國里昂第一大學(xué)(Claude Bernard Lyon 1 University)與歐洲核子中心(CERN)合作,以LuAG單晶光纖作為閃爍探測陣列,研制了用于高能物理實驗的量能器[26,80,81]。如圖20所示,實驗中采用由微下拉法制備的直徑2mm的LuAG單晶光纖,加工后的單晶光纖元件長度為22 cm。由9根單晶光纖組成的射線探測束放置于金屬夾具內(nèi),構(gòu)成mini-CFCAL模塊,模塊尺寸與構(gòu)成ECAL探測陣列的PbWO4元件相同。9根單晶光纖中包括2根探測Cherenkov輻射發(fā)光的純LuAG以及7根探測閃爍發(fā)光的Ce:LuAG單晶光纖。測試實驗在CERN的Super Proton Synchrotron的H2線站開展。實驗測試了射線探測束對高能電子束的能量響應(yīng),結(jié)果顯示在50～150 GeV能量范圍內(nèi),LuAG單晶光纖的閃爍光強度與射線能量呈線性關(guān)系,能量分辨率為15%～20%。

圖20 Ce:LuAG單晶光纖以及由9根LuAG單晶光纖組成的射線探測束[80]Fig.20 Ce:LuAG SCFs and a brass absorber containing 9 LuAG fibers[80]

探測高能射線時主要通過分析閃爍光的強度和衰減行為來計算射線能量與強度信息,因此對閃爍單晶光纖的衰減損耗及其穩(wěn)定性提出了非常高的要求。法國里昂第一大學(xué)的研究團隊通過優(yōu)化下拉速度、籽晶方向等生長條件,最終在[111]方向生長的0.01%Ce:LuAG單晶光纖中實現(xiàn)了超過30 cm的閃爍光穿透深度[27]。但Faraj[28]在其博士論文中也指出,Ce:LuAG閃爍單晶光纖的實用化仍需解決Ce摻雜均勻性、提高閃爍光產(chǎn)額等問題。此外,現(xiàn)階段關(guān)于閃爍單晶光纖應(yīng)用的系統(tǒng)研究僅局限于面向高能物理實驗應(yīng)用的Ce:LuAG,未來仍需開展更多種類的閃爍單晶光纖的生長與應(yīng)用研究,以拓展閃爍單晶光纖的應(yīng)用范圍。

4 單晶光纖的包層制備及其應(yīng)用研究

不論是應(yīng)用于激光還是輻射探測領(lǐng)域,都要求單晶光纖具有盡可能低的傳輸損耗。在單晶光纖外包覆折射率低于纖芯的包層是降低傳輸損耗、實現(xiàn)光波導(dǎo)傳輸?shù)闹匾胧?。隨著單晶光纖的直徑突破百微米,單晶光纖包層制備也越來越得到研究人員的重視。以構(gòu)成包層的物相來劃分,單晶光纖包層可以分為玻璃包層[82,83]、陶瓷包層[84]和單晶包層[46,50,53]。其中制備玻璃包層的一種常用方法是CDLHPG技術(shù),即Co-drawing LHPG technique[85]。如圖21所示,CDLHPG技術(shù)采用的晶體生長設(shè)備和LHPG設(shè)備相近,但其料棒由YAG晶體和石英套管組成[85]。由于YAG的熔點(～1970°C)與石英的軟化溫度(～1600°C)相差較小,兩者可經(jīng)CO2激光加熱后同時熔融和軟化,石英在YAG外層包覆形成外包層。由于在邊界層存在熱擴散,由YAG/石英混合成分構(gòu)成的擴散層則構(gòu)成了內(nèi)包層。此外,如圖21所示,在CDLHPG設(shè)備中,可在料棒外層放置藍寶石套管,以形成更均勻的溫度分布,提高纖芯和包層結(jié)構(gòu)的直徑均勻性[85]。

圖21 CDLHPG單晶光纖生長與包層制備技術(shù)的原理示意圖[85]Fig.21 Setup and schematic of CDLHPG technique[85]

除了CDLHPG技術(shù),Zhang等[83]報道了一種被稱為“Laser induced directional crystallization”的單晶光纖/包層結(jié)構(gòu)制備方法。如圖22所示,預(yù)先制作由SnSe多晶核芯與硼硅玻璃包層構(gòu)成的大尺寸“預(yù)制棒”,然后將“預(yù)制棒”拉制成核芯直徑約40 μm、包層直徑500 μm的“包層光纖”;之后采用CO2激光作為加熱源,熔化SnSe多晶核芯,在包層內(nèi)部進行重結(jié)晶,最終得到“SnSe單晶核芯/硼硅玻璃包層”的單晶光纖包層結(jié)構(gòu)。

圖22 采用“Laser induced directional crystallization”的單晶光纖包層制備方案[83]Fig.22 Schematic of the strategy of“Laser induced directional crystallization”for the fabrication of cladding on single crystal fibers[83]

上述兩類工藝的共同之處在于纖芯在包層制備過程中均經(jīng)過一次“熔化-結(jié)晶”過程,有利于實現(xiàn)纖芯與包層的緊密結(jié)合,但纖芯及包層的直徑均勻性也由于這一間接控制的“熔化-結(jié)晶”過程而難以得到保證。此外,上述兩種方法制備的玻璃態(tài)包層與單晶光纖纖芯的性能差異大,不利于單晶光纖的光波導(dǎo)傳輸。結(jié)晶態(tài)包層通常采用與纖芯相同的基質(zhì),包層與纖芯的熱學(xué)、力學(xué)性能一致,折射率差異小,有利于實現(xiàn)光波導(dǎo)傳輸,這類“單晶纖芯/單晶包層”結(jié)構(gòu)簡稱為C4單晶光纖,即“Crystalline-core/crystallineclad”fiber。制備C4單晶光纖的晶體生長技術(shù)中,以液相外延法(Liquid phase epitaxy,LPE)比較有代表性[50,53]。如圖23(a)所示,LPE技術(shù)的設(shè)備基本構(gòu)造與助溶劑提拉法相近,但能采用更高的速度旋轉(zhuǎn)籽晶桿。此外,由于采用了助溶劑,液相外延的生長溫度通常遠低于材料熔點。Dubinskii等[50]采用LPE技術(shù)在Yb:YAG單晶光纖纖芯上生長了純YAG單晶包層,生長溫度僅為900～1150°C,制備的“單晶纖芯/單晶包層”結(jié)構(gòu)如圖23(b)所示。

圖23 (a)液相外延法示意圖;(b)采用液相外延技術(shù)制備的“YAG單晶包層/Yb:YAG單晶光纖核芯”結(jié)構(gòu)的橫截面圖片[50]Fig.23 (a)Schematic of LPE growth system;(b)Crystalline YAG cladding around a doped YAG crystalline core[50]

除了LEP技術(shù),研究人員也采用溶膠凝膠法[46]、水熱法[53,86]、濺射法[53,87]等多種技術(shù)來制備C4單晶光纖。如圖24所示,美國海軍實驗室的Shaw等嘗試了濺射法、水熱法和LEP技術(shù),均可制備基于Yb:YAG單晶光纖的晶態(tài)包層。然而,研究人員至今仍未探索出任何一種具有全面優(yōu)勢的單晶光纖包層制備技術(shù);當前單晶光纖數(shù)百dB·km-1的傳輸損耗與石英光纖(小于1 dB·km-1)相比仍存在數(shù)量級的差距,說明單晶光纖包層制備技術(shù)仍有巨大的提升空間。

圖24 采用磁控濺射技術(shù)(a)、水熱法(b)和液相外延技術(shù)(c)在Yb:YAG單晶光纖上制備的包層[53]Fig.24 Cladded Yb:YAG fiber with cladding deposited by sputtering(a),hydrothermal method(b)and grown via liquid phase epitaxy(c)[53]

在進行包層制備技術(shù)研究的同時,研究人員也表征了包層結(jié)構(gòu)單晶光纖的激光性能。如圖25所示,Dubinskii等[50]采用纖芯直徑100 μm、包層厚度10 μm的Yb:YAG/YAG“單晶纖芯/單晶包層”結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了功率超過50 W、光-光轉(zhuǎn)換效率超過70%的準連續(xù)(Quasi-continuous-wave,Q-CW)激光輸出。值得注意的是,文獻中并未對單晶光纖進行特殊的冷卻措施,僅采用Q-CW的運行方式來減弱熱效應(yīng),顯示出了單晶光纖在散熱效率方面的優(yōu)勢。如果單晶光纖包層制備、LD泵浦源耦合等關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破,采用具有包層結(jié)構(gòu)的小直徑單晶光纖有望實現(xiàn)更高效率和功率的激光輸出。

圖25 采用“單晶纖芯/單晶包層”的Yb:YAG單晶光纖的激光實驗裝置和激光性能[50]Fig.25 Experimental setup and laser performance using C4 Yb:YAG crystal fiber[50]

5 結(jié)論

自20世紀80、90年代以來,單晶光纖制備技術(shù)的革新推動著這一低維化的晶體材料逐漸成為光學(xué)材料領(lǐng)域中的重要研究課題。近年來固態(tài)激光、輻射探測等應(yīng)用領(lǐng)域的需求牽引則進一步促進了單晶光纖制備技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的全面發(fā)展。當前,單晶光纖的最小直徑已經(jīng)逼近傳統(tǒng)石英玻璃光纖的纖芯尺寸,已有的研究結(jié)果也顯示單晶光纖在高功率激光、中紅外激光和輻射探測等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用優(yōu)勢。然而,由于單晶材料與玻璃的理化性能的差異,基于石英光纖建立和發(fā)展的很多成熟技術(shù)并不適用于單晶光纖,現(xiàn)階段單晶光纖的包層制備、泵浦源耦合、激光器件設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)仍處于探索階段。近年來,研究人員已經(jīng)圍繞上述關(guān)鍵問題開展了大量研究,未來隨著全光纖化單晶光纖激光器件、單晶光纖閃爍體陣列等關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展成熟,單晶光纖也有望真正實現(xiàn)在激光、閃爍、通信、傳感等應(yīng)用領(lǐng)域的實用化。