單晶光纖
——高功率激光的優(yōu)選材料

1917年，Czochralski采用提拉法首次制備出金屬單晶光纖，由此拉開(kāi)了單晶光纖研制的序幕。直到20世紀(jì)80年代，美國(guó)Feigelson和Fejer教授首次采用激光加熱基座法拉制單晶光纖；1993年，日本Fukuda教授發(fā)明了微下拉單晶光纖生長(zhǎng)爐，單晶光纖的發(fā)展迎來(lái)了春天。

單晶光纖是將晶體材料制備成直徑在幾十μm到1 mm之間的纖維狀單晶體，具有高長(zhǎng)徑比、大比表面積、散熱好、非線性增益系數(shù)小等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前世界科技研究的前沿和熱點(diǎn)。單晶光纖激光器能有效解決石英光纖激光器低損傷閾值、低熱導(dǎo)率和嚴(yán)重的非線性效應(yīng)，以及晶體和陶瓷碟片激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以高重頻等瓶頸。YAG單晶光纖允許輸出的功率可達(dá)到傳統(tǒng)石英光纖的50倍。因而，單晶光纖是繼碟片和玻璃光纖器件之后的未來(lái)高功率強(qiáng)激光發(fā)展的優(yōu)選材料。2015年10月，美國(guó)陸軍武器研究室發(fā)布了以激光晶體光纖為主題的企業(yè)研發(fā)項(xiàng)目，明確激光單晶光纖在定向能激光武器方面預(yù)研和開(kāi)發(fā)價(jià)值。2016年，基于微加工工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，法國(guó)Fibercryst公司與法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院光學(xué)研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)基于晶體光纖放大器技術(shù)的高功率超短脈沖放大器。國(guó)內(nèi)單晶光纖方面的研究雖起步較晚，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛，山東大學(xué)、浙江大學(xué)、江蘇師范大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中山大學(xué)、中科院上海硅酸鹽研究所等單位都已經(jīng)開(kāi)展了這方面研究并形成了各自研究特色，在單晶光纖生長(zhǎng)、單晶光纖高溫傳感器、單晶光纖LED光源以及單晶光纖放大器等領(lǐng)域取得了諸多研究成果。

單晶光纖主要有兩種形式：(1)帶包層的柔性可彎曲單晶光纖，直徑低至幾十μm，通常采用激光加熱基座法(LHPG)生長(zhǎng)。這種超細(xì)單晶光纖目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)與用于高平均功率激光系統(tǒng)的經(jīng)典光纖類(lèi)似的纖芯/包層結(jié)構(gòu)。突破單晶熔體熔點(diǎn)對(duì)流形成的“毀損”芯-包層界面，實(shí)現(xiàn)芯和包層全區(qū)域大面積光學(xué)均勻性是難點(diǎn)。(2)泵浦光波導(dǎo)空氣包層單晶光纖，直徑400 μm～1 mm，通常采用微下拉法(μ-PD)生長(zhǎng)。其長(zhǎng)度一般為幾十mm，泵浦光在其中以全反射的方式傳輸，信號(hào)光則自由傳播。這種幾何形狀和光傳播模式使得單晶光纖在激光放大中具有優(yōu)勢(shì)。

本期封面晶體為微下拉法生長(zhǎng)的稀土摻雜YAG單晶光纖，由江蘇師范大學(xué)江蘇省先進(jìn)激光材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐曉東教授團(tuán)隊(duì)以及同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院徐軍教授團(tuán)隊(duì)提供，通過(guò)控制固液界面形狀和高度，保持優(yōu)化的下拉速度，最終獲得高質(zhì)量的單晶光纖。團(tuán)隊(duì)在單晶光纖生長(zhǎng)領(lǐng)域具有近十年的研究經(jīng)驗(yàn)，采用摻雜原子濃度0.6%的未鍍膜Ho∶YAG單晶光纖，在中紅外2.09 μm波段獲得了激光效率42.7%，35.2 W的連續(xù)激光輸出，是2 μm波段單晶光纖的最高激光輸出功率。此外，以Ho∶YAG單晶光纖作為傳統(tǒng)調(diào)Q激光器的增益介質(zhì)，獲得峰值功率為0.19 MW的納秒(7.5 ns)脈沖激光，具有較好的穩(wěn)定性。