張中晗,戴云,2,王陽(yáng)嘯,2,張振,2,武安華,2,蘇良碧,2,3*

(1中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201899;2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料與光電研究中心,北京 100049;3中國(guó)科學(xué)院超強(qiáng)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(guò)波段寬、非線性效應(yīng)弱等優(yōu)勢(shì)。同時(shí),單晶光纖具有高長(zhǎng)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(diǎn),并能夠利用全反射實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)形式的光傳輸[3]。由于實(shí)現(xiàn)了體塊晶體和光學(xué)光纖的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),單晶光纖有望在高功率激光、中紅外激光、高能射線探測(cè)、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(jì)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(shí)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(diǎn)[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(zhǎng)技術(shù)展開(kāi)論述,回顧了近年來(lái)在單晶光纖制備、器件應(yīng)用和包層設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的研究進(jìn)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(shì),是當(dāng)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(zhǎng)、工作閾值低等優(yōu)點(diǎn),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(shí)現(xiàn)了萬(wàn)瓦級(jí)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(jì)與冷卻系統(tǒng)來(lái)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(shí)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(jì)的前提下實(shí)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(bào)道了世界上首臺(tái)功率突破萬(wàn)瓦的光纖激光器[7],并在2013年,通過(guò)合束實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)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(shì),近年來(lái)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(qiáng)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(jìn)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(wèn)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(shì)和單晶材料熱導(dǎo)率高、非線性效應(yīng)弱的特點(diǎn),引起激光材料領(lǐng)域研究人員的重視。

表1對(duì)Yb3+摻雜石英光纖和Yb:YAG單晶光纖進(jìn)行了對(duì)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(guó)勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Dawson等[11]通過(guò)分析指出,Yb:YAG單晶光纖的激光功率理論極限可達(dá)16.9 kW,是Yb3+摻雜石英光纖的近9倍。此外,單晶光纖可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超體塊晶體的散熱效率,有利于實(shí)現(xiàn)集成化、小型化的激光器件。過(guò)去10多年中,研究人員圍繞Yb:YAG、Nd:YAG等傳統(tǒng)強(qiáng)激光晶體的光纖化開(kāi)展了大量研究,成為單晶光纖研究領(lǐng)域的一個(gè)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(duì)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(zhǎng)2.5～5 μm的中紅外波段包含了多個(gè)“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(xiàn)[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(wèn)題,當(dāng)前中紅外波段激光材料的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guò)波段、聲子能量和熱導(dǎo)率?？梢钥闯?由于透過(guò)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(shí)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(qiáng)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(yán)重的傳輸損耗。事實(shí)上,商用ZBLAN光纖的傳輸損耗常高達(dá)5～30 dB/km,遠(yuǎn)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(dāng)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(shí)際應(yīng)用需求。

表2 部分稀土摻雜激光材料的性能對(duì)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(guò)范圍寬、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn),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(yán)重的熱效應(yīng),是制約其激光性能的核心瓶頸[18]。

針對(duì)上述問(wèn)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(guò)率、低聲子能量等性能優(yōu)勢(shì)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(jì)、制備技術(shù)等方面開(kāi)展了大量研究,成為單晶光纖研究領(lǐng)域的另一熱點(diǎn)課題。

1.3 輻射探測(cè)

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(jiàn)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(qiáng)、光產(chǎn)額高、抗輻照能力強(qiáng)、衰減時(shí)間短、理化性能穩(wěn)定、抗輻照能力強(qiáng)、成本低等特征。Ce摻雜LuxY2-xSiO5(Ce:LYSO)晶體的密度高達(dá)7.1 g·cm-3,有效原子序數(shù)Zeff達(dá)到了63.5,光產(chǎn)額超過(guò)33000 ph·MeV-1,衰減時(shí)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(qiáng),是高能物理實(shí)驗(yàn)裝置中的理想輻射探測(cè)材料。然而,如表3所示,上述兩種晶體材料的熔點(diǎn)均超過(guò)2000°C,且稀有金屬Lu的質(zhì)量占比超過(guò)60%,導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)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(duì)稱性低的特點(diǎn),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(zhǎng)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(jiǎn)單的切割和端面拋光后即可制作閃爍體探測(cè)陣列,可大幅降低晶體生長(zhǎng)與元件加工的成本。此外,采用上述生長(zhǎng)技術(shù)能夠制備長(zhǎng)度達(dá)數(shù)十厘米乃至一米的單晶光纖,可突破傳統(tǒng)晶體生長(zhǎng)技術(shù)的尺度極限,在對(duì)探測(cè)深度要求較高的高能物理實(shí)驗(yàn)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái),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(kāi)展了系統(tǒng)研究,成為單晶光纖應(yīng)用研究的另一個(gè)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(zhǎng)技術(shù)多是基于傳統(tǒng)晶體生長(zhǎng)方法發(fā)展而來(lái),例如20世紀(jì)70年代LaBelle等[19]生長(zhǎng)藍(lán)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(duì)傳統(tǒng)提拉法(Czochralski method)和光學(xué)浮區(qū)法(Floating-zone technique)的改進(jìn),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(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(duì)(Reflaxicon)元件,可將激光束調(diào)制成圓形的加熱環(huán),標(biāo)志著激光加熱基座晶體生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展成型[4,21]。20世紀(jì)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(zhǎng)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(shí)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(shí),導(dǎo)模法由于具有高通量制備、截面形狀可控的優(yōu)勢(shì),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(diǎn),設(shè)計(jì)、發(fā)展了多種獨(dú)特的單晶光纖生長(zhǎng)技術(shù)。

2.1 微下拉法

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

圖1 微下拉法晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)方法,微下拉法大幅降低了晶體生長(zhǎng)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(jí)的拉速進(jìn)行晶體生長(zhǎng),遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)體塊單晶1 mm·h-1量級(jí)的晶體生長(zhǎng)速度。此外,微下拉技術(shù)中可根據(jù)不同材料的熔點(diǎn)、粘度、表面張力和揮發(fā)性選擇合適的坩堝和溫場(chǎng),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(xì)孔結(jié)構(gòu)、坩堝與熔體之間的浸潤(rùn)性(Wettability)對(duì)結(jié)晶界面形態(tài)有著決定性影響,是微下拉法晶體生長(zhǎng)最重要的影響因素。如圖2(a)所示,當(dāng)坩堝與熔體浸潤(rùn)性較高時(shí),熔體極易從毛細(xì)孔流出,并迅速布滿坩堝底部。此時(shí),可設(shè)計(jì)臺(tái)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(zhǎng)Bi4Ge3O12(BGO)單晶光纖時(shí)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(rùn),對(duì)應(yīng)圖2(b)所示的情況,此時(shí)晶體生長(zhǎng)界面通常處于毛細(xì)孔內(nèi)部。圖2(d)是采用玻璃碳坩堝(Vitreous carbon crucible)生長(zhǎng)LiLuF4單晶光纖時(shí)的坩堝底部照片。由于LiLuF4熔體與玻璃碳的浸潤(rùn)性極差,圖2(d)中完全觀察不到晶體生長(zhǎng)界面。實(shí)際晶體生長(zhǎng)過(guò)程中,過(guò)高或者過(guò)低的浸潤(rùn)性都是不利的,前者會(huì)導(dǎo)致熔區(qū)形態(tài)對(duì)溫度波動(dòng)過(guò)于敏感,造成生長(zhǎng)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(zhǎng)難以控制。研究人員常綜合參考材料的熔點(diǎn)、腐蝕性和浸潤(rùn)性選擇坩堝材質(zhì),并設(shè)計(jì)合適的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)。

圖2 (a)坩堝與熔體完全浸潤(rùn)情況下的熔區(qū)形態(tài);(b)坩堝與熔體完全不浸潤(rùn)情況下的熔區(qū)形態(tài);(c)微下拉法生長(zhǎng)BGO單晶光纖的熔區(qū)形態(tài)[23];(d)微下拉法生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)里昂第一大學(xué)(Claude Bernard Lyon 1 University)采用微下拉法開(kāi)展了高長(zhǎng)徑比氧化物單晶光纖的晶體生長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)則將微下拉技術(shù)應(yīng)用于氟化物單晶光纖的生長(zhǎng),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(guó)內(nèi)首先報(bào)道了微下拉法單晶光纖生長(zhǎng)設(shè)備的研制[37],并開(kāi)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(guó)電子科技集團(tuán)重慶26所等高校和科研單位也公開(kāi)報(bào)道了微下拉法晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[41,42]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外科研單位采用微下拉法生長(zhǎng)的部分單晶光纖圖片如圖3所示。

圖3 (a)法國(guó)里昂第一大學(xué)生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(xì)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(shì)。研究人員希望制備直徑百微米量級(jí)甚至更細(xì)的單晶光纖,實(shí)現(xiàn)真正意義上的單晶光纖激光器件。現(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(zhǎng)技術(shù)。

LHPG晶體生長(zhǎng)裝置采用激光作為加熱源,由于其晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)設(shè)備的工作原理如圖4所示。LHPG設(shè)備多采用波長(zhǎng)10.6 μm的CO2激光器作為加熱源,加熱激光束經(jīng)擴(kuò)束、準(zhǔn)直后入射至反射錐面鏡對(duì)(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(shí)現(xiàn)徑向均勻的環(huán)形加熱,并且得益于激光的高準(zhǔn)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(jí)。

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

LHPG晶體生長(zhǎng)過(guò)程中,由單晶或者陶瓷構(gòu)成的原料棒(簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)單晶光纖的生長(zhǎng);同時(shí),料棒以一定的速度向上饋送,補(bǔ)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)得到的單晶光纖作為料棒,進(jìn)行二次乃至多次LHPG生長(zhǎng),逐次縮小單晶光纖的尺寸。此時(shí)的料棒為圓柱形,(1)式中的關(guān)系變?yōu)?/p>

除了能夠生長(zhǎng)直徑更小的單晶光纖,LHPG方法還具有如下優(yōu)勢(shì):

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

2)晶體生長(zhǎng)過(guò)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(diǎn)的限制,在制備倍半氧化物、ZrO2等熔點(diǎn)極高的材料時(shí)具有很大優(yōu)勢(shì)[45]。

近年來(lái),國(guó)際上多個(gè)研究機(jī)構(gòu)將LHPG技術(shù)視為激光晶體光纖化的有力手段而開(kāi)展研究,其中以美國(guó)Shasta Crystals Inc.公司[46]、羅特斯大學(xué)(Rutgers University)[47-49]、美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(US Army Research Laboratory)[50]、美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(US Naval Research Laboratory)[51-53]最具代表性。圖5列舉了上述研究機(jī)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(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室均報(bào)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(zhǎng)小尺寸單晶光纖時(shí)的顯著優(yōu)勢(shì)。

圖5 來(lái)自Shasta Crystals Inc.(a)[46]、Rutgers University(b)[47]和US Naval Research Laboratory(c)[51]的研究團(tuán)隊(duì)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(shí)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(yàn)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(zhǎng)過(guò)程中,即使保持拉速比穩(wěn)定不變,CO2激光加熱功率的波動(dòng)、熔區(qū)位置偏移等不可控因素也會(huì)造成熔區(qū)總體積的變化,進(jìn)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(guó)際上多個(gè)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(cè)徑儀實(shí)時(shí)測(cè)量單晶光纖的直徑,然后根據(jù)單晶光纖實(shí)際生長(zhǎng)直徑與預(yù)設(shè)值的偏差,實(shí)時(shí)反饋、調(diào)控CO2激光器的加熱功率,實(shí)現(xiàn)對(duì)單晶光纖直徑的控制[46,49]。如圖7(b)所示,Maxwell等[46]通過(guò)采用直徑自動(dòng)控制系統(tǒng),成功將單晶光纖的直徑波動(dòng)由±6.5%優(yōu)化至1%以內(nèi)。

圖7 (a)LHPG晶體生長(zhǎng)設(shè)備中的直徑反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[49];(b)直徑反饋控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(gè)重要因素。如圖8(a)所示,Nie等[49]觀察到,非定向生長(zhǎng)的直徑330 μm的YAG單晶光纖表層常會(huì)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(lán)寶石單晶光纖的表面[55]。采用全反射通光時(shí),這樣的結(jié)晶面將會(huì)造成嚴(yán)重的表面散射損耗。如圖8(b)所示,Nie等[49]通過(guò)采用特殊方向的籽晶(取向?yàn)閇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(zhǎng)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(zhǎng)YAG單晶光纖,可削弱YAG的“核芯”結(jié)構(gòu)對(duì)其光學(xué)均勻性的不利影響,進(jìn)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)80、90年代,浙江大學(xué)等國(guó)內(nèi)科研單位已開(kāi)展了Al2O3單晶光纖的研制[1,2]。近年來(lái),隨著國(guó)際上單晶光纖研究的發(fā)展,LHPG技術(shù)再次得到了國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)的重視。2016年起,山東大學(xué)通過(guò)引進(jìn)LHPG設(shè)備,陸續(xù)開(kāi)展了YAG、MgAl2O4、Al2O3等單晶光纖的研制[57-59],其LHPG設(shè)備以及生長(zhǎng)的部分單晶光纖如圖10(a)所示。隨后,中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所也通過(guò)研制LHPG晶體生長(zhǎng)設(shè)備,開(kāi)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(zhǎng)結(jié)果如圖10(b)所示[60,61]。現(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)度超過(guò)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(guó)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(zhǎng)設(shè)備以及生長(zhǎng)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(zhǎng)設(shè)備以及生長(zhǎng)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(zhǎng)光纖狀、管狀、平板等各種異形晶體的通用晶體生長(zhǎng)技術(shù),其重要應(yīng)用之一是生長(zhǎng)藍(lán)寶石(Al2O3)單晶光纖。藍(lán)寶石光纖由于透過(guò)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(lán)寶石光纖也可用于高溫傳感器[62]。在上述應(yīng)用的推動(dòng)下,研究人員在20世紀(jì)70年代即開(kāi)展了導(dǎo)模法生長(zhǎng)藍(lán)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(guò)設(shè)計(jì)帶有毛細(xì)管狹縫的模具(通常采用鉬材質(zhì)),Al2O3熔體可利用毛細(xì)作用上升至頂部出口;此時(shí)以籽晶接觸熔體并向上牽引,可實(shí)現(xiàn)Al2O3晶體的穩(wěn)定生長(zhǎng),晶體的截面形狀取決于毛細(xì)孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用中,可設(shè)計(jì)具有多個(gè)毛細(xì)管的模具,實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石單晶光纖的高通量制備。圖11(b)展示了單爐次生長(zhǎng)100根直徑150～300 μm藍(lán)寶石單晶光纖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[66]。除藍(lán)寶石單晶光纖外,EFG也可被用來(lái)生長(zhǎng)MgAl2O4、LiNbO3、金屬等材料。

圖11 (a)導(dǎo)模法晶體生長(zhǎng)原理;(b)采用導(dǎo)模法高通量制備的藍(lán)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(guò)波段寬等特點(diǎn),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(qiáng),且晶體生長(zhǎng)過(guò)程中必須嚴(yán)格避免含氧雜質(zhì)的污染,導(dǎo)致氟化物單晶光纖的生長(zhǎng)十分困難。有關(guān)氟化物單晶光纖生長(zhǎng)的報(bào)道多采用裝配高真空爐腔的微下拉晶體生長(zhǎng)設(shè)備[30-36],并且僅限于LiYF4、KY3F10等熔點(diǎn)較低的氟化物材料。針對(duì)氟化物材料晶體生長(zhǎng)的特點(diǎn),中國(guó)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(zhǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了CaF2、SrF2等高熔點(diǎn)、高揮發(fā)性氟化物單晶光纖的制備。“甚多微孔坩堝”的立體結(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(cāng)與下裝料倉(cāng)通過(guò)多個(gè)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(zhǎng)設(shè)備中進(jìn)行升溫化料。隨著坩堝自高溫區(qū)向下移動(dòng)并通過(guò)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(zhǎng),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(zhǎng)設(shè)備中,其結(jié)晶過(guò)程也可由圖12(c)進(jìn)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(zhǎng)氟化物單晶光纖的過(guò)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(zhǎng)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(rùn),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(duì)單晶光纖表面質(zhì)量的影響[67,68]。此外,可通過(guò)在“甚多微孔坩堝”中設(shè)計(jì)多個(gè)由上裝料倉(cāng)、下裝料倉(cāng)和“微孔”構(gòu)成的獨(dú)立晶體生長(zhǎng)區(qū)間,實(shí)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(shì)。采用“甚多微孔坩堝”生長(zhǎng)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(lái),研究人員圍繞單晶光纖的應(yīng)用技術(shù)開(kāi)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(cè)器件。此外,采用LHPG技術(shù)制備的柔性單晶光纖有望實(shí)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(kāi)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(jì)。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(guó)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(guó)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了平均功率超過(guò)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(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)[74]。2013年,D′elen等[75]報(bào)道了Yb:YAG單晶光纖對(duì)短脈沖激光的放大結(jié)果,實(shí)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(duì)應(yīng)的平均輸出功率為10～23 W。2016年,法國(guó)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(shí)現(xiàn)了對(duì)皮秒級(jí)脈沖的能量放大,在12.5 kHz重復(fù)頻率下實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度6 ps的2 mJ激光輸出,峰值功率達(dá)到310 MW。上述單晶光纖DPA激光放大實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí),法國(guó)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(jiǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)130 W的CW激光放大。作為首款實(shí)用化的單晶光纖激光器件,Taranis的研制對(duì)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(guò)率高、聲子能量低,有利于實(shí)現(xiàn)更高的中紅外激光效率。但氟化物材料的熱學(xué)與機(jī)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(rèn)為是解決熱效應(yīng)的有效途徑。基于這一設(shè)計(jì)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(zhǎng)及其2.1 μm激光性能,如圖17所述。采用直徑1.3 mm、長(zhǎng)度21 mm的0.25%Ho:LiLuF4單晶光纖,實(shí)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(shí)指出,通過(guò)抑制傳輸損耗以及采用更高長(zhǎng)徑比的低濃度摻雜Ho:LiLuF4單晶光纖,有望實(shí)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(lái)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(huì)制約單晶光纖的長(zhǎng)徑比,難以發(fā)揮其散熱優(yōu)勢(shì),成為中紅外單晶光纖研究的瓶頸。此時(shí),利用稀土離子在CaF2、SrF2等晶體中的“局域團(tuán)簇”行為,有望解決中紅外單晶光纖高濃度摻雜的問(wèn)題。當(dāng)三價(jià)稀土離子RE3+摻雜進(jìn)入螢石結(jié)構(gòu)(Fluorite-type)的晶格中,將同時(shí)引入間隙氟離子以實(shí)現(xiàn)價(jià)態(tài)平衡。由于螢石結(jié)構(gòu)晶格中的二價(jià)堿土陽(yáng)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(duì)傾向于相互吸引以降低體系能量,形成“局域團(tuán)簇”結(jié)構(gòu)[77]。由于團(tuán)簇內(nèi)RE3+離子間的相互作用大幅增強(qiáng),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(tuán)簇”效應(yīng),2018年,Su等[79]在摻雜濃度僅3%的Er:SrF2晶體中實(shí)現(xiàn)了功率超過(guò)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了功率接近0.9 W的～2.8 μm CW激光輸出,斜效率高達(dá)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(shí)現(xiàn)了斜效率超過(guò)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(shí)現(xiàn)了功率2.23 W的1.9 μm CW激光輸出,斜效率(64.4%)遠(yuǎn)超Stokes極限(～41%),表明Tm3+在CaF2中的“局域團(tuán)簇”能夠有效增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了181 nm的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍,表明Tm:CaF2單晶光纖具有實(shí)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(shí)驗(yàn)采用的氟化物單晶光纖的直徑為1.9 mm,長(zhǎng)度約10 mm。后續(xù)通過(guò)采用更高長(zhǎng)徑比的單晶光纖,有望進(jìn)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(cè)器件

高能射線輻射探測(cè)是單晶光纖的另一個(gè)重要潛在應(yīng)用。由于μ-PD、LHPG等單晶光纖生長(zhǎng)技術(shù)可以直接制備外形規(guī)則、長(zhǎng)度數(shù)十厘米乃至一米的單晶光纖,在高能物理實(shí)驗(yàn)、空間輻射探測(cè)等輻射穿透深度大、空間分辨率高的應(yīng)用場(chǎng)合具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。圍繞上述研究?jī)?nèi)容,法國(guó)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(cè)陣列,研制了用于高能物理實(shí)驗(yàn)的量能器[26,80,81]。如圖20所示,實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度為22 cm。由9根單晶光纖組成的射線探測(cè)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(cè)陣列的PbWO4元件相同。9根單晶光纖中包括2根探測(cè)Cherenkov輻射發(fā)光的純LuAG以及7根探測(cè)閃爍發(fā)光的Ce:LuAG單晶光纖。測(cè)試實(shí)驗(yàn)在CERN的Super Proton Synchrotron的H2線站開(kāi)展。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了射線探測(cè)束對(duì)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(qiáng)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(cè)束[80]Fig.20 Ce:LuAG SCFs and a brass absorber containing 9 LuAG fibers[80]

探測(cè)高能射線時(shí)主要通過(guò)分析閃爍光的強(qiáng)度和衰減行為來(lái)計(jì)算射線能量與強(qiáng)度信息,因此對(duì)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(guó)里昂第一大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化下拉速度、籽晶方向等生長(zhǎng)條件,最終在[111]方向生長(zhǎng)的0.01%Ce:LuAG單晶光纖中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)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(shí)用化仍需解決Ce摻雜均勻性、提高閃爍光產(chǎn)額等問(wèn)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?jī)H局限于面向高能物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的Ce:LuAG,未來(lái)仍需開(kāi)展更多種類的閃爍單晶光纖的生長(zhǎng)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(cè)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(shí)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(lái)越得到研究人員的重視。以構(gòu)成包層的物相來(lái)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(zhǎng)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(diǎn)(～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(shí)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(kuò)散,由YAG/石英混合成分構(gòu)成的擴(kuò)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(lán)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(zhǎng)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(bào)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(jìn)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(guò)程中均經(jīng)過(guò)一次“熔化-結(jié)晶”過(guò)程,有利于實(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)傳輸,這類“單晶纖芯/單晶包層”結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為C4單晶光纖,即“Crystalline-core/crystallineclad”fiber。制備C4單晶光纖的晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)溫度通常遠(yuǎn)低于材料熔點(diǎn)。Dubinskii等[50]采用LPE技術(shù)在Yb:YAG單晶光纖纖芯上生長(zhǎng)了純YAG單晶包層,生長(zhǎng)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(lái)制備C4單晶光纖。如圖24所示,美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)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(shì)的單晶光纖包層制備技術(shù);當(dāng)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(jí)的差距,說(shuō)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(jìn)行包層制備技術(shù)研究的同時(shí),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(shí)現(xiàn)了功率超過(guò)50 W、光-光轉(zhuǎn)換效率超過(guò)70%的準(zhǔn)連續(xù)(Quasi-continuous-wave,Q-CW)激光輸出。值得注意的是,文獻(xiàn)中并未對(duì)單晶光纖進(jìn)行特殊的冷卻措施,僅采用Q-CW的運(yùn)行方式來(lái)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(shì)。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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)80、90年代以來(lái),單晶光纖制備技術(shù)的革新推動(dòng)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(lái)固態(tài)激光、輻射探測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域的需求牽引則進(jìn)一步促進(jìn)了單晶光纖制備技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的全面發(fā)展。當(dāng)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(cè)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。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(jì)等關(guān)鍵技術(shù)仍處于探索階段。近年來(lái),研究人員已經(jīng)圍繞上述關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展了大量研究,未來(lái)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(shí)現(xiàn)在激光、閃爍、通信、傳感等應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)用化。