王 涛,贾志泰,李 阳,张 健,陶绪堂

(山东大学晶体材料国家重点实验室，晶体材料研究院，济南 250100)

0 引 言

单晶光纤，顾名思义是具有纤维结构的功能晶体材料，其结合了体块晶体的本征特性以及玻璃光纤的结构特点，具有优异的物理和化学性能以及大的比表面积，被认为是下一代光纤器件的潜在载体。自1914年da Costa Andrade首次报道熔体法制备金属纤维以来，单晶光纤已经有了超过一个世纪的发展历程。近年来随着激光加热基座法(laser heated pedestal growth, LHPG)、微下拉法(μ-PD)、导模法(edge-defined film-fed growth, EFG)等单晶光纤生长技术的不断发展与完善，单晶光纤质量得到了大幅度提升，其应用领域也趋于多元化[1-4]。

单晶光纤根据尺寸不同可以分为“过渡型”单晶光纤以及超细单晶光纤两大类。“过渡型”单晶光纤的外形介于传统玻璃光纤与体块晶体之间[5]，其典型直径约为0.4～2 mm，相对于传统的体块晶体，其具有更大的比表面积以及更加优异的热管理能力，主要应用于连续激光、激光放大、传能等领域。法国国家科学研究院(CNRS)光学研究所实验室Délen团队以直径1 mm Yb∶YAG单晶光纤作为激光增益介质，在1 μm波段实现了251 W的连续激光输出，斜效率为53%，这是目前以单晶光纤为增益介质所获得的最高连续激光输出功率[6]。在此基础上，法国Fibercryst公司以直径1 mm Yb∶YAG及Nd∶YAG单晶光纤为增益介质成功研制商品化激光放大模块“Taranismodule”，可实现130 W的连续激光输出。然而，进一步研究发现“过渡型”单晶光纤与传统意义的光纤仍存在一定的差异，难以完全发挥出光纤结构与体块单晶“1+1>2”的性能优势，因此，超细单晶光纤的概念应运而生。超细单晶光纤的典型直径小于0.2 mm，具有极强的柔韧性以及良好的波导特性，在高能激光领域能够最大程度发挥单晶光纤热管理性能优势，降低器件热效应，提高光束质量及传输效率，实现真正意义的高效率单模激光输出。同时良好的柔韧性提高了器件的结构灵活性，能够满足不同环境的应用需求，实现单晶光纤激光器及传感器的小型化及集成化。以YAG等激光晶体为代表的柔性单晶光纤主要应用于高能激光领域，沙斯塔公司对超细YAG单晶光纤的激光损伤阈值进行了详细的研究，其直径100 μm的Nd∶YAG单晶光纤在1.06 μm连续激光条件下的激光损伤阈值达到了6 MW/cm2, 是相同条件下Nd∶YAG体块单晶的6倍左右[7]。以Al2O3等高熔点氧化物为代表的柔性氧化物单晶光纤主要应用于高温传感领域，基于蓝宝石光纤的超声波导型、布拉格光栅型、法珀腔、黑体辐射型等光纤传感器已经实现了1 800 ℃以上的强氧化环境温度探测[1]。然而，超细单晶光纤的制备及加工难度极大，目前仅有美国海军实验室(NRL)、罗格斯大学等极少数科研单位掌握了直径100 μm以下超细单晶光纤的制备技术，其中美国海军实验室已经通过LHPG技术成功制备了直径17 μm的YAG单晶光纤，长度超过1 m，这也是目前见诸报道的最细单晶光纤[8]。在此基础上，美国Micromaterials Inc(MMI)公司实现了单晶光纤的商品化生产，能够批量供应直径60～200 μm、长度米级的柔性Al2O3与YAG单晶光纤，并实现了光纤温度传感器、光纤激光器以及光纤探头等器件的模块化，在该领域处于垄断地位。

国内对于单晶光纤相关研究起步较晚，但近年来发展势头迅猛，以山东大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、浙江大学、江苏师范大学等为代表的科研单位开展了单晶光纤生长及器件应用领域的攻关研究，在单晶光纤激光器及单晶光纤高温传感器等领域取得了系列优秀的研究成果[9-17]。然而，目前国内相关科研单位及企业等还未能掌握成熟的直径<100 μm超细单晶光纤制备技术，相关材料仍需依赖进口。本团队长期致力于单晶光纤制备技术研究，突破了直径<100 μm超细单晶光纤工艺瓶颈，采用自主研发LHPG设备成功制备出直径60～100 μm、长径比>6 000∶1的Al2O3、YAG等单晶光纤，为实现单晶光纤的国产替代提供了技术支撑。

1 实 验

1.1 单晶光纤生长

LHPG技术是目前生长超细单晶光纤最有效的方法之一，其原理如图1所示，环形分布的CO2激光聚焦至下料棒顶端形成半球形熔区，通过籽晶向上牵引进行晶体生长。稳定状态下所得单晶光纤直径可以通过公式(1)进行计算[18]：

(1)

式中：dp与df分别表示料棒的等效直径与光纤直径；vp与vf分别代表料棒的进给速度与晶体的提拉速度。由此可见，单晶光纤的直径主要由料棒尺寸以及提拉速度与进给速度的比值决定，具有很强的灵活性。

图1 LHPG技术生长原理图Fig.1 Schematic diagram of LHPG technique

相对于其他单晶光纤生长技术，LHPG技术具有诸多优势[17]：(1)生长速度快，可达10 mm/min 量级；(2)晶体生长过程无坩埚，避免了坩埚材料带来的污染及局限性；(3)单晶光纤直径可控，可以通过设定不同的拉送比实现直径的实时调控。

本团队采用Al2O3、YAG高纯粉体原料棒，在氩气环境中采用定向籽晶牵引生长，成功获得直径60～100 μm透明、无开裂的Al2O3与YAG单晶光纤，如图2所示，所得单晶光纤表面光滑，均匀透亮且具有极强的柔韧性。通过工艺优化，目前稳定状态下单晶光纤的最大提拉速率可以达到600 mm/h，较前期LHPG技术的晶体生长速率提升了60倍以上，大幅度提升了材料制备效率。由显微观测图(见图2(c)、图2(d))可以发现，所得单晶光纤直径小于人体头发丝直径，且具有良好的直径均匀性。这也是目前国内首次报道直径<100 μm，长径比>6 000∶1的 Al2O3与YAG单晶光纤，实现了关键技术零的突破。除此之外，所得超细单晶光纤在无包层情况下仍然具有优异的光波导特性，展现出在光学领域的巨大应用前景(见图3)。

图2 (a)直径60～100 μm Al2O3单晶光纤；(b)直径60～100 μmYAG单晶光纤；(c)直径～70 μm Al2O3单晶光纤偏光显微镜观测图，对比图为头发丝；(d)直径～60 μm YAG单晶光纤偏光显微镜观测图，对比图为头发丝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

图3 柔性Al2O3单晶光纤光波导特性Fig.3 Flexible Al2O3 crystal fiber with optical waveguide characteristic

1.2 单晶光纤性能表征

为了表征单晶光纤的直径均匀性，采用LS-9000激光测微仪对所得的Al2O3(φ70 μm与φ85 μm)及YAG单晶光纤(φ60 μm与φ70 μm)进行了直径检测，为了提高实验数据的可靠性，对每个样品选取100个位置进行直径测量，相邻测量位点的间隔为1 mm。

为了表征单晶光纤的光学质量，采用显微分光光度计(Craic technologies，20/30PV)测试了单晶光纤在400～2 000 nm波段的透过光谱。

2 结果与讨论

直径起伏是单晶光纤的重要指标之一，能够反映出生长过程的稳定性，对单晶光纤的波导性能有着至关重要的影响。如图4所示，φ70 μm与φ85 μm Al2O3单晶光纤的平均直径起伏分别为2.5%与1.6%，φ60 μm与φ70 μm YAG单晶光纤平均直径起伏分别为3.6%与2.5%，均呈现出良好的直径均匀性，能够作为光波导、声波导介质，也从侧面体现出生长过程较为稳定。值得注意的是，所得单晶光纤的直径起伏随着平均直径的降低呈现出一定的上升趋势，反映出超细单晶光纤直径均匀性控制的挑战性，也是下一阶段的工作重点。

图4 超细Al2O3、YAG单晶光纤直径起伏Fig.4 Diameter fluctuation of ultrafine Al2O3 and YAG single-crystal fibers

透过率能够从一定程度上表征晶体的光学质量，是光学材料的重要参数之一。从图5可以看出，所得直径～60 μm超细Al2O3与YAG单晶光纤在400～2 000 nm波段透过率均超过80%，表现出优异的光学性能，展现出在光纤激光、光纤传能等领域的巨大应用潜力。

图5 Al2O3及YAG单晶光纤的可见、近红外透过光谱Fig.5 Visible-NIR transmission spectra of ultrafine Al2O3 and YAG single-crystal fibers

3 结 论

本团队成功突破直径<100 μm超细单晶光纤技术瓶颈，通过自主研发的LHPG单晶生长平台成功制备直径60～100 μm Al2O3、YAG单晶光纤，最大长径比>6 000∶1，最大生长速率可达600 mm/h。单晶光纤直径起伏<4%，可见-近红外波段透过率超过80%，与美国MMI公司部分产品性能相当，有望打破国外技术封锁，推动单晶光纤材料及器件国产化。