激光加熱基座技術(shù)生長超細單晶光纖研究

王 濤,賈志泰,李 陽,張 健,陶緒堂

(山東大學(xué)晶體材料國家重點實驗室，晶體材料研究院，濟南 250100)

0 引 言

單晶光纖，顧名思義是具有纖維結(jié)構(gòu)的功能晶體材料，其結(jié)合了體塊晶體的本征特性以及玻璃光纖的結(jié)構(gòu)特點，具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能以及大的比表面積，被認為是下一代光纖器件的潛在載體。自1914年da Costa Andrade首次報道熔體法制備金屬纖維以來，單晶光纖已經(jīng)有了超過一個世紀(jì)的發(fā)展歷程。近年來隨著激光加熱基座法(laser heated pedestal growth, LHPG)、微下拉法(μ-PD)、導(dǎo)模法(edge-defined film-fed growth, EFG)等單晶光纖生長技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，單晶光纖質(zhì)量得到了大幅度提升，其應(yīng)用領(lǐng)域也趨于多元化[1-4]。

單晶光纖根據(jù)尺寸不同可以分為“過渡型”單晶光纖以及超細單晶光纖兩大類?！斑^渡型”單晶光纖的外形介于傳統(tǒng)玻璃光纖與體塊晶體之間[5]，其典型直徑約為0.4～2 mm，相對于傳統(tǒng)的體塊晶體，其具有更大的比表面積以及更加優(yōu)異的熱管理能力，主要應(yīng)用于連續(xù)激光、激光放大、傳能等領(lǐng)域。法國國家科學(xué)研究院(CNRS)光學(xué)研究所實驗室Délen團隊以直徑1 mm Yb∶YAG單晶光纖作為激光增益介質(zhì)，在1 μm波段實現(xiàn)了251 W的連續(xù)激光輸出，斜效率為53%，這是目前以單晶光纖為增益介質(zhì)所獲得的最高連續(xù)激光輸出功率[6]。在此基礎(chǔ)上，法國Fibercryst公司以直徑1 mm Yb∶YAG及Nd∶YAG單晶光纖為增益介質(zhì)成功研制商品化激光放大模塊“Taranismodule”，可實現(xiàn)130 W的連續(xù)激光輸出。然而，進一步研究發(fā)現(xiàn)“過渡型”單晶光纖與傳統(tǒng)意義的光纖仍存在一定的差異，難以完全發(fā)揮出光纖結(jié)構(gòu)與體塊單晶“1+1>2”的性能優(yōu)勢，因此，超細單晶光纖的概念應(yīng)運而生。超細單晶光纖的典型直徑小于0.2 mm，具有極強的柔韌性以及良好的波導(dǎo)特性，在高能激光領(lǐng)域能夠最大程度發(fā)揮單晶光纖熱管理性能優(yōu)勢，降低器件熱效應(yīng)，提高光束質(zhì)量及傳輸效率，實現(xiàn)真正意義的高效率單模激光輸出。同時良好的柔韌性提高了器件的結(jié)構(gòu)靈活性，能夠滿足不同環(huán)境的應(yīng)用需求，實現(xiàn)單晶光纖激光器及傳感器的小型化及集成化。以YAG等激光晶體為代表的柔性單晶光纖主要應(yīng)用于高能激光領(lǐng)域，沙斯塔公司對超細YAG單晶光纖的激光損傷閾值進行了詳細的研究，其直徑100 μm的Nd∶YAG單晶光纖在1.06 μm連續(xù)激光條件下的激光損傷閾值達到了6 MW/cm2, 是相同條件下Nd∶YAG體塊單晶的6倍左右[7]。以Al2O3等高熔點氧化物為代表的柔性氧化物單晶光纖主要應(yīng)用于高溫傳感領(lǐng)域，基于藍寶石光纖的超聲波導(dǎo)型、布拉格光柵型、法珀腔、黑體輻射型等光纖傳感器已經(jīng)實現(xiàn)了1 800 ℃以上的強氧化環(huán)境溫度探測[1]。然而，超細單晶光纖的制備及加工難度極大，目前僅有美國海軍實驗室(NRL)、羅格斯大學(xué)等極少數(shù)科研單位掌握了直徑100 μm以下超細單晶光纖的制備技術(shù)，其中美國海軍實驗室已經(jīng)通過LHPG技術(shù)成功制備了直徑17 μm的YAG單晶光纖，長度超過1 m，這也是目前見諸報道的最細單晶光纖[8]。在此基礎(chǔ)上，美國Micromaterials Inc(MMI)公司實現(xiàn)了單晶光纖的商品化生產(chǎn)，能夠批量供應(yīng)直徑60～200 μm、長度米級的柔性Al2O3與YAG單晶光纖，并實現(xiàn)了光纖溫度傳感器、光纖激光器以及光纖探頭等器件的模塊化，在該領(lǐng)域處于壟斷地位。

國內(nèi)對于單晶光纖相關(guān)研究起步較晚，但近年來發(fā)展勢頭迅猛，以山東大學(xué)、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、浙江大學(xué)、江蘇師范大學(xué)等為代表的科研單位開展了單晶光纖生長及器件應(yīng)用領(lǐng)域的攻關(guān)研究，在單晶光纖激光器及單晶光纖高溫傳感器等領(lǐng)域取得了系列優(yōu)秀的研究成果[9-17]。然而，目前國內(nèi)相關(guān)科研單位及企業(yè)等還未能掌握成熟的直徑<100 μm超細單晶光纖制備技術(shù)，相關(guān)材料仍需依賴進口。本團隊長期致力于單晶光纖制備技術(shù)研究，突破了直徑<100 μm超細單晶光纖工藝瓶頸，采用自主研發(fā)LHPG設(shè)備成功制備出直徑60～100 μm、長徑比>6 000∶1的Al2O3、YAG等單晶光纖，為實現(xiàn)單晶光纖的國產(chǎn)替代提供了技術(shù)支撐。

1 實 驗

1.1 單晶光纖生長

LHPG技術(shù)是目前生長超細單晶光纖最有效的方法之一，其原理如圖1所示，環(huán)形分布的CO2激光聚焦至下料棒頂端形成半球形熔區(qū)，通過籽晶向上牽引進行晶體生長。穩(wěn)定狀態(tài)下所得單晶光纖直徑可以通過公式(1)進行計算[18]：

(1)

式中：dp與df分別表示料棒的等效直徑與光纖直徑；vp與vf分別代表料棒的進給速度與晶體的提拉速度。由此可見，單晶光纖的直徑主要由料棒尺寸以及提拉速度與進給速度的比值決定，具有很強的靈活性。

圖1 LHPG技術(shù)生長原理圖Fig.1 Schematic diagram of LHPG technique

相對于其他單晶光纖生長技術(shù)，LHPG技術(shù)具有諸多優(yōu)勢[17]：(1)生長速度快，可達10 mm/min 量級；(2)晶體生長過程無坩堝，避免了坩堝材料帶來的污染及局限性；(3)單晶光纖直徑可控，可以通過設(shè)定不同的拉送比實現(xiàn)直徑的實時調(diào)控。

本團隊采用Al2O3、YAG高純粉體原料棒，在氬氣環(huán)境中采用定向籽晶牽引生長，成功獲得直徑60～100 μm透明、無開裂的Al2O3與YAG單晶光纖，如圖2所示，所得單晶光纖表面光滑，均勻透亮且具有極強的柔韌性。通過工藝優(yōu)化，目前穩(wěn)定狀態(tài)下單晶光纖的最大提拉速率可以達到600 mm/h，較前期LHPG技術(shù)的晶體生長速率提升了60倍以上，大幅度提升了材料制備效率。由顯微觀測圖(見圖2(c)、圖2(d))可以發(fā)現(xiàn)，所得單晶光纖直徑小于人體頭發(fā)絲直徑，且具有良好的直徑均勻性。這也是目前國內(nèi)首次報道直徑<100 μm，長徑比>6 000∶1的 Al2O3與YAG單晶光纖，實現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)零的突破。除此之外，所得超細單晶光纖在無包層情況下仍然具有優(yōu)異的光波導(dǎo)特性，展現(xiàn)出在光學(xué)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景(見圖3)。

圖2 (a)直徑60～100 μm Al2O3單晶光纖；(b)直徑60～100 μmYAG單晶光纖；(c)直徑～70 μm Al2O3單晶光纖偏光顯微鏡觀測圖，對比圖為頭發(fā)絲；(d)直徑～60 μm YAG單晶光纖偏光顯微鏡觀測圖，對比圖為頭發(fā)絲Fig.2 (a) φ60～100 μm Al2O3 single-crystal fibers; (b) φ60～100 μm YAG single-crystal fibers; (c) polarization microscope image of Al2O3 single-crystal fiber with diameter of ～70 μm, contrast picture of hair; (d) polarization microscope image of YAG single-crystal fiber with diameter of ～60 μm, the comparison sample is human hair

圖3 柔性Al2O3單晶光纖光波導(dǎo)特性Fig.3 Flexible Al2O3 crystal fiber with optical waveguide characteristic

1.2 單晶光纖性能表征

為了表征單晶光纖的直徑均勻性，采用LS-9000激光測微儀對所得的Al2O3(φ70 μm與φ85 μm)及YAG單晶光纖(φ60 μm與φ70 μm)進行了直徑檢測，為了提高實驗數(shù)據(jù)的可靠性，對每個樣品選取100個位置進行直徑測量，相鄰測量位點的間隔為1 mm。

為了表征單晶光纖的光學(xué)質(zhì)量，采用顯微分光光度計(Craic technologies，20/30PV)測試了單晶光纖在400～2 000 nm波段的透過光譜。

2 結(jié)果與討論

直徑起伏是單晶光纖的重要指標(biāo)之一，能夠反映出生長過程的穩(wěn)定性，對單晶光纖的波導(dǎo)性能有著至關(guān)重要的影響。如圖4所示，φ70 μm與φ85 μm Al2O3單晶光纖的平均直徑起伏分別為2.5%與1.6%，φ60 μm與φ70 μm YAG單晶光纖平均直徑起伏分別為3.6%與2.5%，均呈現(xiàn)出良好的直徑均勻性，能夠作為光波導(dǎo)、聲波導(dǎo)介質(zhì)，也從側(cè)面體現(xiàn)出生長過程較為穩(wěn)定。值得注意的是，所得單晶光纖的直徑起伏隨著平均直徑的降低呈現(xiàn)出一定的上升趨勢，反映出超細單晶光纖直徑均勻性控制的挑戰(zhàn)性，也是下一階段的工作重點。

圖4 超細Al2O3、YAG單晶光纖直徑起伏Fig.4 Diameter fluctuation of ultrafine Al2O3 and YAG single-crystal fibers

透過率能夠從一定程度上表征晶體的光學(xué)質(zhì)量，是光學(xué)材料的重要參數(shù)之一。從圖5可以看出，所得直徑～60 μm超細Al2O3與YAG單晶光纖在400～2 000 nm波段透過率均超過80%，表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)性能，展現(xiàn)出在光纖激光、光纖傳能等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

圖5 Al2O3及YAG單晶光纖的可見、近紅外透過光譜Fig.5 Visible-NIR transmission spectra of ultrafine Al2O3 and YAG single-crystal fibers

3 結(jié) 論

本團隊成功突破直徑<100 μm超細單晶光纖技術(shù)瓶頸，通過自主研發(fā)的LHPG單晶生長平臺成功制備直徑60～100 μm Al2O3、YAG單晶光纖，最大長徑比>6 000∶1，最大生長速率可達600 mm/h。單晶光纖直徑起伏<4%，可見-近紅外波段透過率超過80%，與美國MMI公司部分產(chǎn)品性能相當(dāng)，有望打破國外技術(shù)封鎖，推動單晶光纖材料及器件國產(chǎn)化。