戴云,張中晗,王皙彬,李金,龍勇,蘇良碧,丁雨憧,武安華*

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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)勢和體塊單晶的優(yōu)異物化性能結(jié)合起來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),通過簡單的加工后可用于高空間分辨率的閃爍體陣列探測器,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器的發(fā)展和應(yīng)用中也具有潛在前景和市場。

近年來多個團(tuán)隊(duì)圍繞單晶光纖開展了相關(guān)研究,法國里昂第一大學(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ARL實(shí)驗(yàn)室、Shasta Crystal等機(jī)構(gòu)開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)等方面落后于國際領(lǐng)先團(tuán)隊(duì)。

上海硅酸鹽研究所搭建了國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的激光加熱基座單晶光纖爐,并通過解決光學(xué)加熱系統(tǒng)的均勻性、提拉系統(tǒng)在長距離位移過程中的穩(wěn)定性以及生長工藝的探索等,實(shí)現(xiàn)了直徑200 μm單晶光纖的生長。對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

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)模擬和生長反饋,最終解決了因加熱光環(huán)不對稱而產(chǎn)生的偏斜生長以及源棒無法融化等問題。均勻?qū)ΨQ加熱光環(huán)下的初始熔區(qū)形態(tài)以及生長過程中的熔區(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)生長過程中的熔區(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程中,主要通過調(diào)節(jié)單晶光纖拉速與料棒饋送速度的比例來控制單晶光纖直徑:采用圓棒作為料棒時,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],因此采用兩次生長的方法,即先生長直徑0.6～0.8 mm的單晶光纖,再以此為源棒生長更小直徑的單晶光纖。同時在生長過程中尋求最佳的生長功率以及生長速度,目前主要生長的單晶光纖有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,長度為450 mm;Ce:LuAG單晶光纖直徑為500 μm、長度為11 mm;Yb:YAG單晶光纖直徑為200 μm、長度為710 mm,長徑比大于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),測試每點(diǎn)直徑Dn,求直徑平均值,這里定義直徑波動經(jīng)計算后Al2O3單晶光纖和Yb:YAG單晶光纖的直徑波動情況如圖4所示,可以看出其直徑波動小于5%。測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法生長過程中熔區(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。同時表1將所生長的Yb:YAG單晶光纖與現(xiàn)有報道的Yb:YAG單晶光纖進(jìn)行了比較,可以看出所生長的單晶光纖在長度與直徑方面具有優(yōu)勢,但半峰寬略低,因此后面將繼續(xù)優(yōu)化生長工藝,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了Al2O3、YAG、LuAG等單晶光纖,并通過對熔區(qū)、生長速度、生長功率等因素進(jìn)行調(diào)節(jié),使所生長的單晶光纖直徑波動小于5%,同時具有較好的結(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。