戴云,張中晗,王皙彬,李金,龍勇,蘇良碧,丁雨憧,武安華*

(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)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

自1960年第一臺(tái)激光器誕生,激光不斷向高功率、大能量、集成化等方向發(fā)展[1]。但激光器發(fā)展至今,傳統(tǒng)的固體激光器和被譽(yù)為“第三代激光器”的玻璃光纖激光器都受到了一定的限制[2]。將玻璃光纖形態(tài)的優(yōu)勢(shì)和體塊單晶的優(yōu)異物化性能結(jié)合起來(lái)的單晶光纖是解決固體激光器目前所遇到的功率限制的方案之一。此外,將閃爍體塊單晶制備成光纖形態(tài),通過(guò)簡(jiǎn)單的加工后可用于高空間分辨率的閃爍體陣列探測(cè)器,能夠大幅降低Ce:LYSO、Ce:LuAG晶體閃爍器件的生產(chǎn)與加工成本,在新一代高能射線和粒子探測(cè)器的發(fā)展和應(yīng)用中也具有潛在前景和市場(chǎng)。

近年來(lái)多個(gè)團(tuán)隊(duì)圍繞單晶光纖開(kāi)展了相關(guān)研究,法國(guó)里昂第一大學(xué)等采用微下拉法制備的Yb:YAG單晶光纖實(shí)現(xiàn)了超過(guò)250 W的連續(xù)激光輸出,顯示出單晶光纖的巨大應(yīng)用潛力[3-5]。美國(guó)ARL實(shí)驗(yàn)室、Shasta Crystal等機(jī)構(gòu)開(kāi)展了利用激光加熱基座(LHPG)方法制備稀土摻雜YAG單晶光纖的研究[6,7],制備出直徑小于200 μm的YAG單晶光纖,并進(jìn)行了“單晶核心/單晶包層”結(jié)構(gòu)的制備探索,實(shí)現(xiàn)了～2 μm波段～50 W的準(zhǔn)連續(xù)激光輸出。國(guó)內(nèi)在晶體光纖方面的研究起步較晚,山東大學(xué)、江蘇師范大學(xué)等高校以及中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、上海光學(xué)精密機(jī)械研究所等開(kāi)展了相關(guān)研究[8,9]。但總體而言在單晶光纖制備、包層研制以及激光器件技術(shù)等方面落后于國(guó)際領(lǐng)先團(tuán)隊(duì)。

上海硅酸鹽研究所搭建了國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光加熱基座單晶光纖爐,并通過(guò)解決光學(xué)加熱系統(tǒng)的均勻性、提拉系統(tǒng)在長(zhǎng)距離位移過(guò)程中的穩(wěn)定性以及生長(zhǎng)工藝的探索等,實(shí)現(xiàn)了直徑200 μm單晶光纖的生長(zhǎng)。對(duì)單晶光纖直徑均勻性、結(jié)晶質(zhì)量等進(jìn)行了表征,結(jié)果表明準(zhǔn)一維化的單晶光纖仍具有良好的物化性能。

1 激光加熱基座單晶光纖爐的搭建及單晶光纖的生長(zhǎng)

LHPG單晶光纖爐的光學(xué)加熱系統(tǒng)是其核心部件之一,其示意圖如圖1所示。為獲得均勻?qū)ΨQ的加熱光環(huán),采用模塊式調(diào)節(jié)方案并輔以光學(xué)模擬和生長(zhǎng)反饋,最終解決了因加熱光環(huán)不對(duì)稱而產(chǎn)生的偏斜生長(zhǎng)以及源棒無(wú)法融化等問(wèn)題。均勻?qū)ΨQ加熱光環(huán)下的初始熔區(qū)形態(tài)以及生長(zhǎng)過(guò)程中的熔區(qū)形態(tài)如圖2所示。

圖1 LHPG設(shè)備光學(xué)加熱系統(tǒng)Fig.1 Optical heating system of LHPG device

圖2 (a)初始熔區(qū)形態(tài);(b)生長(zhǎng)過(guò)程中的熔區(qū)形態(tài)Fig.2 (a)Initial melting zone morphology;(b)Melting zone morphology during growth

采用LHPG方法制備單晶光纖的過(guò)程中,主要通過(guò)調(diào)節(jié)單晶光纖拉速與料棒饋送速度的比例來(lái)控制單晶光纖直徑:采用圓棒作為料棒時(shí),根據(jù)質(zhì)量守恒關(guān)系,可得到單晶光纖、料棒的直徑與其移動(dòng)速度之間的關(guān)系為Vs/Vf=(Df/Ds)2,式中Vs、Ds表示源棒的送速、直徑;Vf、Df表示晶纖的拉速、直徑,根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析,此比例合適的范圍為1/4～1/9[10],因此采用兩次生長(zhǎng)的方法,即先生長(zhǎng)直徑0.6～0.8 mm的單晶光纖,再以此為源棒生長(zhǎng)更小直徑的單晶光纖。同時(shí)在生長(zhǎng)過(guò)程中尋求最佳的生長(zhǎng)功率以及生長(zhǎng)速度,目前主要生長(zhǎng)的單晶光纖有Al2O3單晶光纖、Ce:LuAG單晶光纖和Yb:YAG單晶光纖,如圖3所示,其中Al2O3單晶光纖直徑可達(dá)230 μm,長(zhǎng)度為450 mm;Ce:LuAG單晶光纖直徑為500 μm、長(zhǎng)度為11 mm;Yb:YAG單晶光纖直徑為200 μm、長(zhǎng)度為710 mm,長(zhǎng)徑比大于3500:1。

圖3 (a)直徑230 μm Al2O3單晶光纖;(b)直徑500 μm Ce:LuAG單晶光纖;(c)直徑200 μm Yb:YAG單晶光纖Fig.3 (a)Φ230 μm Al2O3SCF;(b)Φ500 μm Ce:LuAG SCF;(c)Φ200 μm Yb:YAG SCF

2 單晶光纖的表征

在單晶光纖上每隔1 cm取點(diǎn),測(cè)試每點(diǎn)直徑Dn,求直徑平均值,這里定義直徑波動(dòng)經(jīng)計(jì)算后Al2O3單晶光纖和Yb:YAG單晶光纖的直徑波動(dòng)情況如圖4所示,可以看出其直徑波動(dòng)小于5%。測(cè)試了單晶光纖以及源棒的單晶搖擺曲線,如圖5所示。根據(jù)搖擺曲線計(jì)算單晶光纖的半峰寬為111.6′′,源棒的半峰寬為129.6′′,因此相比于源棒,單晶光纖的結(jié)晶質(zhì)量略有提高。這是因?yàn)橐环矫胬肔HPG法生長(zhǎng)過(guò)程中熔區(qū)融化后快速凝固結(jié)晶可以在一定程度上抑制摻雜離子的分凝,另一方面將晶體作為料棒,其融化再結(jié)晶可較為容易地消除晶體內(nèi)的缺陷,如氣泡、空位等。同時(shí)表1將所生長(zhǎng)的Yb:YAG單晶光纖與現(xiàn)有報(bào)道的Yb:YAG單晶光纖進(jìn)行了比較,可以看出所生長(zhǎng)的單晶光纖在長(zhǎng)度與直徑方面具有優(yōu)勢(shì),但半峰寬略低,因此后面將繼續(xù)優(yōu)化生長(zhǎng)工藝,提高單晶光纖結(jié)晶質(zhì)量。

圖4 (a)Al2O3單晶光纖及(b)Yb:YAG單晶光纖直徑波動(dòng)情況Fig.4 Diameter fluctuation of(a)Al2O3SCF and(b)Yb:YAG SCF

圖5 Yb:YAG單晶光纖和源棒的(111)晶面X射線搖擺曲線Fig.5 X-ray rocking curves of(111)crystal plane of Yb:YAG SCFs and source rod

表1 不同文獻(xiàn)中Yb:YAG單晶光纖的基本性能Table 1 Basic properties of Yb:YAG single-crystal fiber in different references

3 結(jié)論

利用自主研制的激光加熱基座單晶光纖爐成功生長(zhǎng)了Al2O3、YAG、LuAG等單晶光纖,并通過(guò)對(duì)熔區(qū)、生長(zhǎng)速度、生長(zhǎng)功率等因素進(jìn)行調(diào)節(jié),使所生長(zhǎng)的單晶光纖直徑波動(dòng)小于5%,同時(shí)具有較好的結(jié)晶質(zhì)量。后續(xù)將繼續(xù)優(yōu)化單晶光纖的直徑均勻性、降低傳輸損耗并實(shí)現(xiàn)單晶光纖的組分調(diào)控,推進(jìn)單晶光纖作為高性能光功能材料的實(shí)用化進(jìn)程。