顧 鵬，王鵬剛，官偉明，鄭 麗，譚云強(qiáng)

(眉山博雅新材料股份有限公司，眉山 620000)

0 引 言

單晶光纖(single crystal fiber)由于兼具單晶塊體和玻璃光纖各自優(yōu)勢(shì)，受到越來越多研究者的關(guān)注。1917年，Czochralski首次從熔體中拉出直徑為200 μm的金屬光纖并至此開啟了單晶光纖研制工作[1]。1922年von Gomperz通過漂浮在熔體表面的云母盤中的開孔生長(zhǎng)出金屬纖維，發(fā)現(xiàn)該纖維的晶體結(jié)構(gòu)完整性及強(qiáng)度很高，此外還具備抗電磁干擾、傳光性好、體積小以及重量輕等優(yōu)勢(shì)[2-3]。但由于當(dāng)時(shí)制備技術(shù)尚未成熟，難以獲得直徑均勻且形貌可控的單晶光纖，因此研究熱潮逐漸減低。直到20世紀(jì)60年代后期，通信光纖的出現(xiàn)使得單晶光纖的研究進(jìn)入新的階段，科研人員試圖利用各種工藝制備出具有實(shí)用價(jià)值的單晶光纖。由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使其在各領(lǐng)域都呈現(xiàn)出令人滿意的效果。早期Labelle等[4]利用感應(yīng)加熱技術(shù)并結(jié)合晶體提拉裝置成功獲取Al2O3光纖且直徑在0.2～0.5 mm范圍內(nèi)。1975年，貝爾實(shí)驗(yàn)室基于改進(jìn)的熔區(qū)法生長(zhǎng)出直徑小于50 μm的Nd∶YAG單晶光纖，同時(shí)該方法可以適用于各種材料的單晶光纖生長(zhǎng)，加快了光纖在各領(lǐng)域的器件化應(yīng)用[5]。近年來，各類單晶光纖不斷涌現(xiàn)，其中就包括激光單晶光纖(如Nd∶YAG、Yb∶YAG、Ho∶YAG等)、閃爍單晶光纖(如Ce∶LuAG、Ce∶YAG、Ce∶LYSO等)以及金屬光纖等。目前美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室(NRL)已可穩(wěn)定生長(zhǎng)出直徑小于17 μm且長(zhǎng)度大于2 m的摻雜YAG單晶光纖，且其傳輸損耗低至0.011 dB/cm，這也是已知所報(bào)道的最細(xì)晶體光纖[6]，標(biāo)志著單晶光纖的發(fā)展進(jìn)入新臺(tái)階，即柔性單晶光纖。

顯然高質(zhì)量單晶光纖的制備離不開快速發(fā)展的晶體生長(zhǎng)技術(shù)以及更為完善的光纖生長(zhǎng)裝置?；诖?，本文綜述了單晶光纖制備技術(shù)并簡(jiǎn)要給出了其應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)重點(diǎn)闡述了各生長(zhǎng)工藝的制備路線、生長(zhǎng)難點(diǎn)以及解決途徑，且較為翔實(shí)地總結(jié)了包層類型以及制備方法。進(jìn)一步回顧了幾類重要的單晶光纖并對(duì)其未來發(fā)展作出展望。希望此綜述能夠幫助相關(guān)領(lǐng)域研究者更好地了解單晶光纖研發(fā)現(xiàn)狀并促使單晶光纖制備技術(shù)及應(yīng)用更快更好地發(fā)展。

1 單晶光纖制備技術(shù)

近年來，高質(zhì)量單晶光纖的生長(zhǎng)工藝主要包括激光加熱基座法(laser-heated pedestal growth，LHPG)、微下拉法(micro-pulling-down，μ-PD)以及導(dǎo)模法(edge-defined film-fed growth，EFG)。LHPG可以實(shí)現(xiàn)十幾微米至百微米直徑的單晶光纖生長(zhǎng)，目前已知利用LHPG技術(shù)制備的最小直徑光纖僅為17 μm，是由美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室Shaw等[7]生長(zhǎng)的。而μ-PD由于受坩堝底部微通道孔徑以及熔體表面張力的影響，一般制備的晶體光纖直徑在幾百微米至幾個(gè)毫米范圍內(nèi)，但也有少數(shù)科研人員報(bào)道過利用μ-PD可實(shí)現(xiàn)100 μm以下直徑的光纖制備[8]。另外，由于兼具高通量生長(zhǎng)和截面形狀可調(diào)的特點(diǎn)，EFG法也逐漸受到研究者的關(guān)注并不斷被應(yīng)用于單晶光纖生長(zhǎng)中。除上述幾種常見的晶體光纖制備技術(shù)外，化學(xué)溶蝕法(chemical dissolution method，CDM)似乎也是一種值得關(guān)注的光纖制備工藝，這是因?yàn)镃DM過程無需昂貴的單晶光纖生長(zhǎng)設(shè)備且操作過程簡(jiǎn)便。

1.1 微下拉法

1968年，西門子股份公司Joachim等[9]首次提出從坩堝底部開孔中拉出特定形狀晶體的想法，此后由來自日本的Fukuda等[3]、美國(guó)的Derby等[10]以及法國(guó)的Lebbou等[11]促使該想法變得更加成熟以及完備，并將其命名為微下拉法。

1992年日本東北大學(xué)研制出首臺(tái)電阻式加熱μ-PD裝置并成功生長(zhǎng)出鈮酸鋰(LN)單晶光纖，不久之后進(jìn)一步研制出基于射頻感應(yīng)加熱的下拉裝置，可以說日本對(duì)微下拉設(shè)備以及單晶光纖生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展有著舉足輕重的作用[3]。目前，日、美、德、意、法等晶體材料生長(zhǎng)領(lǐng)域領(lǐng)先的國(guó)家均組建了單晶光纖生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室并在裝置和生長(zhǎng)技術(shù)方面取得了重要突破[12]。我國(guó)在微下拉設(shè)備研制以及工藝研發(fā)方面起步較晚，但發(fā)展迅速。從2009年起，山東大學(xué)經(jīng)過多年的探索并結(jié)合長(zhǎng)期的晶體生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)，已成功研制出微下拉設(shè)備并獲得了各種單晶光纖，包括激光單晶光纖、閃爍光纖以及非線性倍頻光纖等。此外，浙江大學(xué)、江蘇師范大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、重慶大學(xué)、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所等科研單位在單晶光纖生長(zhǎng)領(lǐng)域的深入研究也進(jìn)一步推動(dòng)微下拉裝置以及光纖生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展[13-16]。在單晶光纖制備技術(shù)中，微下拉法具有諸多優(yōu)勢(shì)，如圖1所示。使其在新材料探索、單晶光纖生長(zhǎng)等領(lǐng)域有巨大潛力[11]。

圖1 微下拉法生長(zhǎng)單晶光纖的優(yōu)勢(shì)[11]Fig.1 Advantages of μ-PD method for growing single crystal fiber[11]

微下拉法生長(zhǎng)單晶光纖的主要過程包括：將生長(zhǎng)原料放入具有特殊形狀的坩堝中并加熱使之熔化，熔體在表面張力和重力共同作用下，在坩堝底部開孔處懸掛，形成液滴且呈半圓形。此時(shí)將裝有特定取向籽晶的籽晶桿上升，直至籽晶與懸掛的熔體液滴接觸并使熔體在籽晶上開始結(jié)晶，待下種過程完成后開始向下拉動(dòng)籽晶桿，通過控制下拉速度以及加熱功率來實(shí)現(xiàn)等徑過程。在生長(zhǎng)末尾階段通過提高拉速或加熱功率逐步減小光纖直徑直至拉脫或直接將坩堝內(nèi)的熔體完全耗盡[17-18]。為實(shí)現(xiàn)上述生長(zhǎng)過程，微下拉設(shè)備是關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。同時(shí)，坩堝底部微通道形狀的設(shè)計(jì)對(duì)維持晶體生長(zhǎng)穩(wěn)態(tài)、控制晶體外形以及晶體質(zhì)量都是十分重要的，圖2(b)給出了常見的坩堝外形。目前通過對(duì)坩堝底端開孔形狀的設(shè)計(jì)，可成功獲取各種截面形狀的晶體，如圖2(c)所示，包括矩形棒、扁片塊體、管狀體以及實(shí)心柱狀等，極大縮減加工流程[8]。此外，常用的坩堝材料有Pt、Pt-Rh、Ir、Ir-Re、C以及Al等，其中石墨坩堝和鉑坩堝用于生長(zhǎng)低熔點(diǎn)晶體，而生長(zhǎng)高熔點(diǎn)晶體(>1 800 ℃)一般選用Ir坩堝或?qū)?yīng)的Ir-Re合金且需要利用惰性氣體加以保護(hù)[18]。

圖2 微下拉法晶體光纖生長(zhǎng)設(shè)備[18]。(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)各種規(guī)格的坩堝；(c)各種形狀晶體Fig.2 Crystal fiber growth equipment of μ-PD[18].(a)Schematic of the structure;(b)crucibles with various shapes；(c)various shaped crystals

盡管微下拉設(shè)備及單晶光纖生長(zhǎng)技術(shù)已發(fā)展多年，但依舊存在各種問題還需進(jìn)一步探討：

(1)坩堝底部微通道形狀與單晶光纖截面形狀和晶體質(zhì)量的關(guān)系

理想情況下，坩堝底部微通道形狀與所生長(zhǎng)晶體截面形狀完全一致，進(jìn)而可通過選擇特定坩堝底部外形獲得所需晶體形狀，避免晶體二次加工[19]，但實(shí)際上兩者之間的形狀并非完全吻合。這是因?yàn)槲⑾吕ㄉL(zhǎng)晶體過程中其形狀受諸多因素的影響，包括坩堝底部毛細(xì)管通道結(jié)構(gòu)、坩堝與熔體之間的浸潤(rùn)性以及機(jī)械穩(wěn)定性等[11-20]。研究證實(shí)，彎月面熔區(qū)高度會(huì)直接影響晶體外形輪廓，增加彎月面高度將引起晶體截面更加圓潤(rùn)，導(dǎo)致晶體外形與坩堝底部開孔形狀差異較大。因此可通過降低彎月面高度來改善坩堝開孔形狀與晶體外形截面的相關(guān)性，如使用平底坩堝可獲得較為薄的彎月面，但該結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致晶體凝固在坩堝底部，造成晶體生長(zhǎng)失敗。為此，進(jìn)一步通過設(shè)計(jì)坩堝底部開孔形狀來克服上述存在的問題，如將坩堝底部從平面改為凹面結(jié)構(gòu)[21]。此外，坩堝底部下方溫場(chǎng)分布的不對(duì)稱性也是引起晶體外形難以控制的原因之一。晶體生長(zhǎng)過程中，為便于觀察晶體生長(zhǎng)過程，尤其是固-液界面形狀，通常會(huì)在后加熱器柱面開設(shè)一開孔并利用CCD成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。若只開設(shè)一個(gè)觀察孔，顯然會(huì)影響生長(zhǎng)界面附近溫場(chǎng)對(duì)稱性，可通過創(chuàng)建額外的開孔來改善溫度分布均勻性。同時(shí)熔體與坩堝之間的浸潤(rùn)性也在一定程度上影響晶體外形，對(duì)于浸潤(rùn)性較小的熔體(如YAG熔體)，生長(zhǎng)界面通常處于毛細(xì)孔內(nèi)部，晶體生長(zhǎng)難以控制，則坩堝底部毛細(xì)管通道可設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)的圓錐形坩堝，如圖3(a)所示。反之對(duì)于浸潤(rùn)性較大的熔體(如LuAG熔體)，則可在坩堝底部增加一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的毛細(xì)管通道，避免發(fā)生熔體沿堝底外壁攀爬，造成光纖不穩(wěn)定生長(zhǎng)，如圖3(b)所示[19]。

圖3 針對(duì)不同浸潤(rùn)性的熔體所用銥坩堝[19]。(a)熔體浸潤(rùn)性較??；(b)熔體浸潤(rùn)性較大Fig.3 Ir crucible used for melts with different wettability[19].(a)Low wettability;(b)high wettability

(2)微下拉過程中單晶光纖直徑的控制

直徑均勻性是評(píng)價(jià)單晶光纖質(zhì)量的重要指標(biāo)。Fejer等[22]提出對(duì)于長(zhǎng)5 cm、直徑為25 μm的光纖，直徑波動(dòng)1%將引起25%的光損耗，可見等徑晶體生長(zhǎng)是十分必要的。微下拉過程中光纖長(zhǎng)度的不斷增加將導(dǎo)致固液界面熱傳輸能力發(fā)生改變，影響彎月面高度，進(jìn)而導(dǎo)致彎月面熔區(qū)內(nèi)馬拉高尼效應(yīng)(Marangoni effect)引起的對(duì)流強(qiáng)度變化并破壞晶體生長(zhǎng)穩(wěn)定性，影響晶體等徑生長(zhǎng)[23]。2000年，日本東北大學(xué)報(bào)道了微下拉法生長(zhǎng)單晶光纖過程中直徑均勻性與下拉速率、加熱功率以及彎月面形狀之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)彎月面高度的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致光纖直徑的波動(dòng)并進(jìn)一步證實(shí)當(dāng)Rc≥R≥0.5Rc時(shí)，晶體可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生長(zhǎng)，其中R為晶體半徑，Rc為坩堝底部毛細(xì)管通道半徑[24]。為了實(shí)現(xiàn)在維持等徑生長(zhǎng)的前提下，加快單晶光纖生長(zhǎng)，可通過增加拉速的同時(shí)降低加熱功率，使彎月面熔區(qū)的高度與直徑比值恒定[24]。此外，現(xiàn)階段普遍使用紅外成像技術(shù)和數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)來獲得固-液界面形狀，并通過人工或程序調(diào)節(jié)下拉速率或加熱功率實(shí)現(xiàn)等徑生長(zhǎng)。此方法不僅成本高且后臺(tái)需要處理大量圖像數(shù)據(jù)，可能導(dǎo)致信號(hào)弛豫，調(diào)節(jié)不及時(shí)。中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所針對(duì)上述存在的問題，提出一種可自動(dòng)控制的微下拉晶體生長(zhǎng)裝置和自動(dòng)系統(tǒng)。在微下拉設(shè)備中引入稱重傳感系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)等徑控制，該方法優(yōu)點(diǎn)如下：控制程序易實(shí)現(xiàn)，設(shè)備成本低，且更具普適性[25]。2014年歐洲核子研究中心通過優(yōu)化坩堝外形，使毛細(xì)管模具垂直于坩堝底部錐形部位，實(shí)現(xiàn)單晶光纖穩(wěn)定生長(zhǎng)[11]。

(3)影響單晶光纖溶質(zhì)分布均勻性的因素

在實(shí)際晶體生長(zhǎng)過程中，為強(qiáng)化晶體的特定性能，通常有意識(shí)地引入某些摻雜離子[26-28]。由于摻雜離子的半徑與被取代離子半徑大小存在差異，導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)過程中存在溶質(zhì)分凝現(xiàn)象[29]。為此，迫切需要理解和控制摻雜離子的分凝行為和輸運(yùn)過程。相比于其他晶體生長(zhǎng)技術(shù)，微下拉法可有效提高摻雜離子的分凝系數(shù)，改善溶質(zhì)在晶體中的分布均勻性[30]。

2007年，Maier等[31]利用微下拉法制備了一系列摻雜氧化物單晶光纖并探討了摻雜離子(溶質(zhì))在基體中的分凝效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)所生長(zhǎng)的單晶光纖具有顯著的沿徑向分凝現(xiàn)象。2009年，日本東北大學(xué)以YAG材料為基體，系統(tǒng)研究了摻雜離子在晶體中的分布行為，指出晶體下拉速率不會(huì)顯著影響溶質(zhì)分布規(guī)律且沿晶體軸向分布較為均勻，但溶質(zhì)沿徑向存在明顯的分凝現(xiàn)象且表現(xiàn)出凹/凸曲率分布特點(diǎn)，具體取決于分凝系數(shù)、彎月面熔區(qū)液流狀態(tài)以及坩堝結(jié)構(gòu)[32]。通過調(diào)整加熱功率和改變彎月面熔區(qū)高度，可有效提高溶質(zhì)沿晶體徑向均勻分布。除了溶質(zhì)分凝系數(shù)的影響外，沿徑向和軸向的溶質(zhì)濃度分布規(guī)律還取決于晶體生長(zhǎng)氣氛、彎月面(熔區(qū))高度以及熔體自身特性[31-32]。

除了通過實(shí)驗(yàn)的方法來研究晶體生長(zhǎng)過程中溶質(zhì)分布規(guī)律外，數(shù)值模擬也一直是研究晶體生長(zhǎng)的一種有效手段。2015年，重慶大學(xué)對(duì)微下拉過程中溶質(zhì)徑向分布行為進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)果顯示，改變坩堝底部?jī)A斜角度α來縮短毛細(xì)管通道高度可顯著影響溶質(zhì)分布規(guī)律且較大的傾斜角度有助于提高溶質(zhì)沿徑向的均勻分布，如圖4所示。然而傾斜角α增大會(huì)縮短毛細(xì)管通道高度，為了維持熔體從坩堝到浮動(dòng)熔體區(qū)(彎月面熔區(qū))的穩(wěn)定流入，應(yīng)保留足夠長(zhǎng)度的毛細(xì)管通道。為此需要平衡坩堝底部?jī)A斜角度與毛細(xì)管通道長(zhǎng)度之間的關(guān)系，找到最優(yōu)值[33]。2016年，重慶大學(xué)進(jìn)一步通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)利用多通道結(jié)構(gòu)可改善溶質(zhì)濃度沿晶體徑向分布行為，這是因?yàn)槎嗤ǖ澜Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以降低溶質(zhì)之間擴(kuò)散距離的差異以及毛細(xì)管通道內(nèi)熔體的流動(dòng)速率[15]。

圖4 (a)擴(kuò)散通道模型示意圖;(b)傾斜角度對(duì)溶質(zhì)濃度徑向分布的影響[33]Fig.4 (a)Diagrammatic sketch of the diffusion-channel model;(b)the radial concentration profiles at the melt-crystal interface of different inclination models[33]

2016年，江蘇大學(xué)同樣利用數(shù)值模擬方法分析了微下拉法生長(zhǎng)Ti∶Al2O3晶體中造成Ti離子在晶體中不均勻分布的原因并給出了解決方案，發(fā)現(xiàn)拉速和晶體直徑會(huì)影響溶質(zhì)在晶體內(nèi)的分布情況。當(dāng)直徑較小時(shí)(<0.6 mm)，晶體中Ti離子的徑向分布規(guī)律為中心Ti離子濃度高于邊緣位置，而直徑較大時(shí)(如0.8 mm)溶質(zhì)分布規(guī)律則相反，造成上述現(xiàn)象的原因可能與馬拉高尼對(duì)流強(qiáng)度大小有關(guān)，且較小的晶體直徑(0.2 mm)以及較快的生長(zhǎng)速率(1 mm/min)有助于提高Ti離子濃度沿晶體軸向分布的均勻性[34]。

(4)微下拉過程中氣泡的產(chǎn)生與抑制

微下拉法所生長(zhǎng)的單晶光纖內(nèi)部易產(chǎn)生氣泡，它的存在極大地降低了晶體的光學(xué)質(zhì)量，產(chǎn)生嚴(yán)重的光散射和吸收，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因受熱不均勻而使單晶光纖在傳輸大功率激光時(shí)發(fā)生炸裂[35]。2012年，法國(guó)里昂大學(xué)利用微下拉法生長(zhǎng)了藍(lán)寶石晶體并研究了晶體內(nèi)氣泡的分布規(guī)律、密度以及尺寸與拉速之間的關(guān)系，指出通過降低拉速(V≤0.25 mm/min)可以消除晶體中的氣泡且氣泡的形狀及數(shù)量也與拉速有關(guān)，低拉速(V<0.5 mm/min)所產(chǎn)生的氣泡形狀主要為球形，當(dāng)拉速V≥1.5 mm/min時(shí)，部分球形氣泡將沿生長(zhǎng)軸方向拉伸且隨著拉速的增加，氣泡的尺寸減小但氣泡層數(shù)量增加[36]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)氣泡中所含氣體可能來自坩堝(鉬)、氧化鋁熔體以及石墨加熱元件之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)所釋放的氣體。此外，過熱的氧化鋁熔體(T>2 150 ℃)也會(huì)發(fā)生熱分解，產(chǎn)生氧氣。因此，藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)過程中應(yīng)選用銥坩堝作為容器且盡量減少氧化鋁熔體過熱。同時(shí)，坩堝底部微通道結(jié)構(gòu)也是影響氣泡尺寸和數(shù)量的因素之一[35]。

1.2 激光加熱基座法

LHPG技術(shù)本質(zhì)上是一種小型的浮區(qū)法(FZ)。在過去50年里出現(xiàn)的所有激光加熱晶體提拉生長(zhǎng)技術(shù)中，LHPG已被視為探索新材料和發(fā)展傳統(tǒng)材料最有力的工具之一，其最為主要的優(yōu)勢(shì)在于晶體生長(zhǎng)過程無需坩堝，意味著可以獲得高純度及高熔點(diǎn)單晶或復(fù)合光纖且避免在降溫過程中坩堝對(duì)晶體產(chǎn)生的應(yīng)力[37]。早期用于晶體生長(zhǎng)的激光加熱技術(shù)所使用的激光束一般為多束激光，由于聚焦光斑較大(直徑>300 μm)、對(duì)稱差以及激光功率存在抖動(dòng)，導(dǎo)致熔區(qū)不穩(wěn)定并產(chǎn)生較大的徑向熱梯度，影響晶體生長(zhǎng)質(zhì)量。為克服上述問題，F(xiàn)ejer 和 Feigelson通過在聚焦系統(tǒng)中引入特殊光學(xué)元件，使平行激光束轉(zhuǎn)換成具有一定直徑的加熱環(huán)，即構(gòu)造環(huán)形聚焦激光加熱系統(tǒng)[38]。

LHPG生長(zhǎng)裝置中，激光光路傳輸系統(tǒng)極為重要，直接影響單晶光纖生長(zhǎng)穩(wěn)定性以及直徑大小，如圖5(a)所示[39]。通常借助He-Ne激光器進(jìn)行光路校準(zhǔn)，之后再利用CO2激光器通過擴(kuò)束準(zhǔn)直進(jìn)入ZnSe窗口，激光束經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后入射到一個(gè)與之相互匹配的雙錐反光鏡上，該雙錐反射鏡可將激光束擴(kuò)展成一個(gè)直徑相對(duì)較大的空心圓環(huán)，經(jīng)反射鏡均勻地入射到拋物面反光鏡上，進(jìn)而形成環(huán)形聚焦熱源并作用到源棒上表面形成環(huán)形加熱熔區(qū)，由于環(huán)形聚集加熱區(qū)域小，則可實(shí)現(xiàn)細(xì)小直徑單晶光纖生長(zhǎng)，目前利用LHPG技術(shù)已可獲得直徑為17 μm的Yb∶YAG單晶光纖[7]。LHPG法生長(zhǎng)晶體包含以下四個(gè)步驟，如圖5(b)所示：(1)調(diào)整籽晶與源棒相對(duì)位置，使其定位在激光束的光軸上；(2)緩慢增加激光加熱功率，在源棒頂部形成微小熔融區(qū)；(3)將籽晶緩慢點(diǎn)入熔區(qū)；(4)在電機(jī)作用下，源棒和生長(zhǎng)的晶體光纖同向移動(dòng)，保持熔區(qū)位置恒定，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生長(zhǎng)[40]。圖5(c)給出了近年來山東大學(xué)利用LHPG法生長(zhǎng)的各類單晶光纖，可見該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高長(zhǎng)徑比單晶光纖制備[39]。

圖5 (a)LHPG法示意圖；(b)單晶光纖生長(zhǎng)過程示意圖；(c)山東大學(xué)利用LHPG法生長(zhǎng)的各類單晶光纖[39-40]Fig.5 (a)Schematic diagram of the LHPG method;(b)schematic diagram of single crystal fiber growth process; (c)various single crystal fibers prepared by Shandong University[39-40]

商業(yè)化的CO2激光器的穩(wěn)定性在±3%左右，其穩(wěn)定性直接影響后期單晶光纖等徑過程。美國(guó)EPILOG激光器在30 W工作功率下的穩(wěn)定性為±1%，同時(shí)美國(guó)新銳(SYNRAD)所產(chǎn)的200 W激光器工作穩(wěn)定性在±5%，而美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室所搭建的LHPG設(shè)備，其激光功率穩(wěn)定性可達(dá)±0.17%。顯然良好的激光功率穩(wěn)定性對(duì)生長(zhǎng)等徑光纖是有益的[7,39]。為實(shí)現(xiàn)單晶光纖等徑過程，除要求完善的激光光路傳輸系統(tǒng)，得到穩(wěn)定且細(xì)小的熱熔區(qū)外，機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性也是值得關(guān)注的，尤其是牽引馬達(dá)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。清華大學(xué)霍玉晶教授采用馬達(dá)細(xì)分技術(shù)，將原先馬達(dá)的每一單步細(xì)分為1 024步，使馬達(dá)的單步線距在2 nm～2 μm之間可調(diào)，極大提高了馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性[41]。此外還需要考慮環(huán)形聚焦束相對(duì)于晶棒的入射角以及雙錐反射鏡錐角與錐間距對(duì)單晶光纖生長(zhǎng)質(zhì)量的影響[42]。下文進(jìn)一步探討了LHPG技術(shù)生長(zhǎng)單晶光纖中存在的問題及解決途徑。

(1)單晶光纖生長(zhǎng)過程中氣泡的產(chǎn)生與抑制

與μ-PD法生長(zhǎng)單晶光纖類似，LHPG所生長(zhǎng)的晶體中同樣易出現(xiàn)氣泡。浙江大學(xué)沈劍威團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)過程中熔區(qū)形狀對(duì)氣泡的產(chǎn)生具有重要影響，且熔區(qū)形狀可以通過調(diào)節(jié)CO2激光束功率和焦點(diǎn)位置予以修正。所述熔區(qū)形狀包括凸形熔區(qū)、水平熔區(qū)以及凹形熔區(qū)，如圖6所示。可以看到對(duì)于凸形熔區(qū)，由于熔區(qū)邊緣溫度較低，先于中心熔區(qū)結(jié)晶，則熔區(qū)內(nèi)大部分氣泡被包裹并隨后進(jìn)入晶體內(nèi)。相反，凹形熔區(qū)有助于氣泡排擠至熔區(qū)邊緣并逸出，獲得無氣泡包裹的完整晶體。而水平熔區(qū)對(duì)晶體內(nèi)氣泡產(chǎn)生的影響介于上述兩者之間[43]。源棒自身結(jié)構(gòu)的致密性也是誘導(dǎo)晶體中出現(xiàn)氣泡的原因之一，通常利用單晶源棒所拉制的單晶光纖質(zhì)量更好，內(nèi)部氣泡密度顯著降低。另外，利用高致密的多晶陶瓷作為源棒進(jìn)行單晶光纖的生長(zhǎng)也有所報(bào)道，Andreeta等[44]較為系統(tǒng)地研究了陶瓷源棒制作工藝對(duì)LaAlO3單晶光纖質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)將多種金屬氧化物直接混合所制成的源棒可維持晶體穩(wěn)定生長(zhǎng)且所制備的單晶光纖具有更高的光學(xué)質(zhì)量。

圖6 LHPG法生長(zhǎng)單晶光纖過程中熔區(qū)形狀及示意分析[43]。(a)凸形熔區(qū)；(b)水平熔區(qū)；(c)凹形熔區(qū)Fig.6 Optical image and analysis of melted zone during the growth of single crystal fibers by LHPG method[43]. (a)Convex;(b)horizontal;(c)concave

(2)LHPG法生長(zhǎng)單晶光纖過程中等徑控制

LHPG技術(shù)生長(zhǎng)單晶光纖過程中，其晶體直徑由于受拉速、機(jī)械振動(dòng)、熔區(qū)長(zhǎng)度等因素的影響存在不同程度的波動(dòng)[45]。此外，源棒自身直徑的均勻性也會(huì)對(duì)晶體等徑過程造成影響。為提高單晶光纖光學(xué)傳輸質(zhì)量，有必要嚴(yán)格控制光纖直徑波動(dòng)。傳統(tǒng)的方式是采用自動(dòng)直徑控制(ADC)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等徑生長(zhǎng)，其核心思想為通過調(diào)節(jié)激光加熱功率或/和拉速來維持等徑過程。所述ADC系統(tǒng)一般包含兩個(gè)主要部分：實(shí)時(shí)尺寸監(jiān)測(cè)裝置和反饋至激光器或電機(jī)控制器的命令信號(hào)。目前用于LHPG法中等徑控制的方式主要有兩類：一類為基于準(zhǔn)正弦干涉條紋測(cè)量技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)所生長(zhǎng)的晶體直徑波動(dòng)小于0.02%，但控制精度嚴(yán)重依賴于晶體自身透明度[46]；另一類是由巴西圣保羅大學(xué)基于人工視覺系統(tǒng)提出的用于LHPG法生長(zhǎng)的ADC系統(tǒng)，即便源棒直徑波動(dòng)20%左右，所制備的光纖直徑波動(dòng)仍低于2%，進(jìn)一步利用該控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)熔區(qū)高度可實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)沿晶體軸向的可控分布。具體實(shí)現(xiàn)方式如下：利用CCD相機(jī)成像并將測(cè)量信息反饋給CO2激光器以及提拉電機(jī)。CCD捕獲圖像并由計(jì)算機(jī)以灰度模式記錄和處理，基于各區(qū)域的黑體輻射強(qiáng)度存在差異，可較為容易地區(qū)別各固液界面的相對(duì)位置，軟件利用這些位置信息就可測(cè)算出光纖直徑以及熔區(qū)高度。通過調(diào)節(jié)激光加熱功率和拉速促使實(shí)際生長(zhǎng)狀態(tài)與設(shè)定的理想直徑和熔區(qū)高度值相匹配，該法的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)材料的透明度無要求。換而言之，在單晶光纖生長(zhǎng)前操作員只需在圖形界面上輸入預(yù)設(shè)直徑和熔區(qū)高度所對(duì)應(yīng)的像素值，ADC系統(tǒng)將通過調(diào)節(jié)激光加熱功率和拉速來匹配預(yù)設(shè)像素值[47]，但該方法不適用于監(jiān)測(cè)低熔點(diǎn)材料。

1.3 導(dǎo)模法

EFG技術(shù)本質(zhì)上是提拉法(Cz)的一種特殊變形，區(qū)別在于EFG中使用了特制的模具并部分插入熔體中，在毛細(xì)管作用下引導(dǎo)熔體流至模具頂部并在籽晶牽引下實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)。通過優(yōu)化模具孔徑、晶體拉速以及溫場(chǎng)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)特定單晶光纖定向生長(zhǎng)，如圖7所示[48]。該方法的優(yōu)勢(shì)在于可獲取組分均勻分布的摻雜單晶光纖生長(zhǎng)，同時(shí)固-液界面位置在整個(gè)晶體生長(zhǎng)過程中保持恒定，利于晶體穩(wěn)定生長(zhǎng)。1994年，美國(guó)Saphikon公司[49]采用EFG技術(shù)在一周內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1萬米的藍(lán)寶石單晶光纖制備且傳輸損耗低于3 dB/m。可見EFG技術(shù)可以在保證晶體質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)快速生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)速率大于150 mm/min。同時(shí)，該技術(shù)另一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)在于光纖截面形狀可調(diào)。近年來，一些基于EFG技術(shù)的新方法相繼被報(bào)道，目的在于降低藍(lán)寶石光纖柱面粗糙度以及提高直徑均勻性，其中就包括Kurlov等[50-51]提出的利用稱重傳感器并優(yōu)化拉制光纖的設(shè)備來提高光纖表面質(zhì)量。此外，通過對(duì)模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還可實(shí)現(xiàn)纖芯(Al2O3∶Ti3+)/包層(Al2O3)結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石單晶光纖同步生長(zhǎng)[52]。

圖7 藍(lán)寶石單晶光纖生長(zhǎng)[48]。(a)生長(zhǎng)過程示意圖；(b)所生長(zhǎng)的直徑為300 μm的藍(lán)寶石光纖照片F(xiàn)ig.7 Growth of sapphire fibers[48].(a)A scheme of the growth process;(b)a photo of the as-grown 300-μm-diameter sapphire fiber

值得注意的是，匹茲堡大學(xué)Liu等[52]在其綜述中指出在EFG技術(shù)生長(zhǎng)單晶光纖過程中，殘留于坩堝內(nèi)的雜質(zhì)極有可能擴(kuò)散進(jìn)晶體內(nèi)，且所生長(zhǎng)的光纖直徑越小，雜質(zhì)進(jìn)入晶體內(nèi)的程度更加顯著。為此，基于EFG技術(shù)所制備的商用化單晶光纖的直徑一般大于300 μm。同時(shí)，導(dǎo)模法在生長(zhǎng)單晶光纖過程中出現(xiàn)的氣泡、雜質(zhì)包裹物以及孿晶等缺陷行為同樣值得深入探討[53]。

目前，單晶光纖制備技術(shù)的研究與發(fā)展仍主要集中在LHPG、μ-PD以及EFG法中，尤其針對(duì)前兩種技術(shù)?？傮w來講，LHPG技術(shù)是實(shí)現(xiàn)細(xì)小直徑(<100 μm)晶體光纖生長(zhǎng)的首選方法，其快生長(zhǎng)(mm/min)和無需坩堝的特點(diǎn)進(jìn)一步加快該技術(shù)在高熔點(diǎn)材料中的應(yīng)用。然而利用LHPG法生長(zhǎng)高質(zhì)量晶體光纖未來還需解決以下問題：包括選用更穩(wěn)定的激光加熱功率器、完善晶體等徑控制系統(tǒng)和計(jì)算邏輯、簡(jiǎn)化激光光路傳輸路徑以及提高機(jī)械電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。其次，μ-PD法適用于生長(zhǎng)直徑在亞毫米至幾個(gè)毫米范圍的單晶光纖，通過坩堝底部微通道設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)單爐次多根晶體光纖生長(zhǎng)，利于產(chǎn)業(yè)化制備。同時(shí)，坩堝底部形狀的設(shè)計(jì)對(duì)于穩(wěn)定生長(zhǎng)單晶光纖十分重要，需綜合考慮所盛裝熔體的表面張力、熔體與坩堝的浸潤(rùn)性、晶體直徑以及截面形狀。加快高精度和快響應(yīng)ADC系統(tǒng)的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量單晶光纖生長(zhǎng)的前提，只有這樣才能降低晶體生長(zhǎng)過程中對(duì)人的依賴性。最后，利用EFG技術(shù)所制備的光纖類型較為單一，主要集中在藍(lán)寶石(Al2O3)單晶光纖，其中以俄羅斯Kurlov團(tuán)隊(duì)[54]和同濟(jì)大學(xué)徐軍課題組[53]為代表。因此，未來需進(jìn)一步擴(kuò)大EFG技術(shù)在不同類型材料中的研究與應(yīng)用，充分發(fā)揮該技術(shù)在晶體生長(zhǎng)方面的優(yōu)勢(shì)。

1.4 其 他

2019年，南京同溧晶體材料研究院有限公司提出了一種直徑均勻單晶光纖加工方法，將直徑為1.5～4.5 mm晶棒浸泡于一定濃度的濃硫酸和濃磷酸混合腐蝕液中并整體放入馬弗爐中加熱至300～380 ℃，恒溫一定時(shí)間后可獲得直徑為800～820 μm的氧化物單晶光纖[55]?？梢?，除了利用上述提及的各種生長(zhǎng)技術(shù)直接獲取單晶光纖外，采用晶體后處理工藝，即CDM技術(shù)制備高長(zhǎng)徑比的單晶光纖也許是一種嶄新且可行的思路。眉山博雅新材料股份有限公司(簡(jiǎn)稱：博雅新材)近年來也致力于高質(zhì)量單晶光纖設(shè)備研制和生長(zhǎng)技術(shù)研發(fā)工作，目前已成功制備出直徑在0.09～1 mm范圍內(nèi)的Nd∶YAG和Yb∶YAG單晶光纖且等徑效果良好，如圖8(a)所示。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶體直徑低于150 μm時(shí)，呈現(xiàn)出良好的可彎曲特性，如圖8(b)所示。

圖8 (a)利用化學(xué)腐蝕法所制備的Yb∶YAG單晶光纖；(b)所制備的直徑為120 μm的Nd∶YAG單晶光纖顯示出良好的彎曲特性Fig.8 (a)Yb∶YAG single crystal fibers prepared by CDM;(b)Nd∶YAG single crystal fiber with diameter of 120 μm shows good bending characteristics

利用CDM技術(shù)制備百微米量級(jí)的單晶光纖，其優(yōu)勢(shì)在于：

(1)制備周期短，一般將直徑為1 mm的晶棒變?yōu)?.1 mm晶體光纖僅需3～5 h；

(2)成本低，對(duì)晶棒的酸蝕過程無需特定的設(shè)備，且加熱能耗低；

(3)制備流程簡(jiǎn)單，無需繁瑣的操作流程，具有更高的可重復(fù)性；

(4)所制備的晶體直徑均勻性較好，甚至優(yōu)于人工磨拋處理得到的光纖；

(5)可實(shí)現(xiàn)十幾微米直徑的單模光纖制備，通過延長(zhǎng)腐蝕時(shí)間、提高腐蝕液濃度以及溫度可實(shí)現(xiàn)幾十微米直徑的單晶光纖制備，甚至可以達(dá)到幾個(gè)微米。這是傳統(tǒng)單晶光纖生長(zhǎng)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。

值得注意的是，利用CDM技術(shù)所制備的單晶光纖依舊存在某些問題亟待解決，包括如何降低光纖柱面粗糙度、提高光纖徑向截面圓度以及大尺寸晶棒在腐蝕液中的放置問題等。除此之外，利用液相外延技術(shù)(LPE)或高溫高壓水熱法也可實(shí)現(xiàn)將毫米量級(jí)直徑的晶棒細(xì)化成幾十微米至幾百微米直徑的單晶光纖且柱面光滑、直徑均勻性良好[56-57]。其核心思路在于，將晶棒放入助溶劑熔體或礦化劑溶液中，提高溶液溫度，使系統(tǒng)處于不飽和狀態(tài)，引起晶棒發(fā)生回溶，實(shí)現(xiàn)細(xì)小直徑單晶光纖制備。但由于LPE法和水熱法制備單晶光纖過程是不能直接進(jìn)行觀察，因此如何在確保實(shí)現(xiàn)高長(zhǎng)徑比單晶光纖制備的前提下避免晶體發(fā)生完全溶蝕是后期需要考慮的問題。

2 單晶光纖包層生長(zhǎng)技術(shù)

對(duì)于激光單晶光纖而言，上述所說的單晶光纖一般作為光纖纖芯，為進(jìn)一步提高激光輸出質(zhì)量和效率，包層結(jié)構(gòu)必不可少。利用纖芯與包層之間存在的折射率差實(shí)現(xiàn)激光在纖芯內(nèi)全反射。目前玻璃材料由于其低熔點(diǎn)特點(diǎn)而被廣泛用于制備單晶光纖包層，形成非晶包層/單晶纖芯結(jié)構(gòu)(glass-cladding/crystalline-core)。其玻璃包層制備工藝一般如下：將一定直徑的單晶光纖插入玻璃空心管內(nèi)形成套管，進(jìn)一步利用共拉伸激光加熱基座法(CDLHPG)將套管作為源棒進(jìn)行整體向上拉絲生長(zhǎng)。值得注意的是，CDLHPG技術(shù)的關(guān)鍵在于激光加熱所產(chǎn)生的溫度需介于玻璃軟化溫度和單晶光纖熔化溫度之間，確保在不損壞單晶光纖表面形態(tài)的前提下，通過激光加熱使外層石英玻璃管軟化并緊密貼合在纖芯柱面，最終實(shí)現(xiàn)在纖芯表面包覆一層玻璃包層[58-59]。然而，由于單晶光纖的晶格參數(shù)和熱學(xué)性能與石英玻璃相差較大，易導(dǎo)致激光增益介質(zhì)在高功率激光輸出過程中包層與纖芯接觸界面發(fā)生剝離，甚至炸裂。此外，由于石英玻璃熱導(dǎo)率較低，極大約束了單晶光纖熱管理優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，且玻璃包層與晶體纖芯之間存在較大的折射率差，易引起多模傳輸[60]。為此，近年來磁控濺射技術(shù)、溶膠-凝膠法、氣相沉積法、液相外延法以及高溫高壓水熱法等技術(shù)相繼被用來在單晶光纖纖芯表面沉積一層多晶或單晶包層，以此提高單晶光纖的散熱能力和熱穩(wěn)定性[61]。

Lee等[59]分別利用脈沖激光沉積(PLD)、磁控濺射以及電子束物理氣相沉積(EB-PVD)法制備YAG多晶或YxAl1-xO3非晶包層。結(jié)果表明EB-PVD技術(shù)在制備包層方面更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠渖L(zhǎng)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單且可獲得厚涂層，可在纖芯柱面沉積幾十微米以上的包層，這是磁控濺射技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。其次，Bera等[62]提出利用溶膠-凝膠法將摻雜YAG單晶纖芯浸入前驅(qū)體溶液中并取出，進(jìn)一步在125 ℃下干燥20 min，重復(fù)多次即可獲得所需厚度的前驅(qū)體膜并在更高溫度下高溫固化獲得YAG多晶包層。然而該方法的不足之處在于包層厚度一般很薄，需要經(jīng)過多次甚至幾十次反復(fù)涂覆才能實(shí)現(xiàn)微米量級(jí)厚度的包層制備。Lai等[60]前期利用LHPG技術(shù)制備了直徑為40 μm的Ti∶Al2O3單晶光纖，并采用浸漬涂覆法將氧化鋁漿料均勻涂覆在纖芯柱面，進(jìn)一步在1 650 ℃下高溫?zé)Y(jié)處理2 h，得到致密氧化鋁陶瓷包層，但該技術(shù)難點(diǎn)在于浸漬涂覆過程中需確保沉積厚度的均勻性以及避免引入多孔結(jié)構(gòu)。

上述提及的包層制備工藝通常只能獲得薄膜或陶瓷多晶包層，要想獲得單晶包層還需尋求新的方法。2018年，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室提出全單晶(crystalline-core/crystalline-clad，C4)光纖制備工藝，利用LHPG技術(shù)生長(zhǎng)了直徑在30～100 μm的稀土元素?fù)诫sYAG單晶纖芯，并利用LPE法在纖芯柱面沉積了厚度為1～150 μm的純YAG單晶包層，如圖9(a)所示?？梢妴尉Юw芯和單晶包層均顯示出六方形截面，這與YAG晶體生長(zhǎng)習(xí)性有關(guān)[63]。同時(shí)，由于Yb∶YAG單晶纖芯的折射率高于純YAG單晶包層，纖芯表現(xiàn)出良好的光傳導(dǎo)特性，如圖9(b)所示，且所制備的單晶光纖傳輸損耗低至0.011 dB/cm，在969 nm的準(zhǔn)連續(xù)(Q-CW)激光二極管泵浦下可實(shí)現(xiàn)1 030 nm準(zhǔn)連續(xù)(Q-CW)激光輸出，光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)70%，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬曲線幾乎完全吻合[6]。

圖9 (a)利用LPE技術(shù)制備的全單晶光纖光學(xué)顯微圖；(b)單晶光纖橫截面透射圖[6]Fig.9 (a)An optical image of single crystal fiber prepared by LPE method;(b)the corresponding cross-section optical transmission image[6]

值得注意的是，利用LPE法生長(zhǎng)YAG單晶包層時(shí)選用的助溶劑一般為鉛基助溶劑，包括PbO-B2O3或PbO-PbF2-B2O3或PbO-PbF2或PbF2-B2O3等[64]，為避免高溫環(huán)境下PbO揮發(fā)導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)難以控制以及對(duì)生長(zhǎng)設(shè)備的腐蝕，未來可嘗試使用非鉛系列的助溶劑生長(zhǎng)YAG單晶包層，如BaO-B2O3-BaF2、MoO3-Li2MoO4以及K2CO3等[56]。

高溫高壓水熱法是實(shí)現(xiàn)C4光纖制備的另一種可行的方法，水熱法制備YAG單晶所需的水熱溫度在300 ℃至800 ℃之間，且生長(zhǎng)壓力在10 kpsi至30 kpsi(1 kpsi=6.895 MPa)。同時(shí)，YAG晶體生長(zhǎng)是在雙區(qū)高壓容器中進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)如圖10(a)所示。容器下方區(qū)域稱為晶體生長(zhǎng)原料供應(yīng)區(qū)，上方區(qū)域稱為晶體生長(zhǎng)區(qū)，兩區(qū)之間設(shè)置有開孔擋板且下方區(qū)域溫度高于上方區(qū)域，兩區(qū)之間存在一定溫度梯度。當(dāng)下方區(qū)域飽和溶液在熱流作用下遷移至上方低溫區(qū)，則變?yōu)檫^飽和溶液，進(jìn)一步在籽晶處發(fā)生析晶現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)。2019年，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室利用水熱法在摻雜YAG單晶光纖柱面上生長(zhǎng)出厚度為百微米量級(jí)的純YAG單晶包層，如圖10(b)所示。He-Ne激光器測(cè)試結(jié)果顯示，Yb∶YAG纖芯/YAG包層全單晶光纖(210 μm/240 μm)的散射損耗為0.05 dB/cm[57]。然而，利用水熱法在摻雜YAG單晶纖芯柱面沉積高質(zhì)量的YAG單晶包層仍存在挑戰(zhàn)性。首先，摻雜YAG單晶纖芯作為籽晶具有較高的比表面積，導(dǎo)致纖芯柱面存在無數(shù)個(gè)成核點(diǎn)，可能導(dǎo)致所生長(zhǎng)的包層為多晶且截面形狀不規(guī)則，如圖10(c)所示。其次，沉積在纖芯柱面的包層可能為非軸心對(duì)稱，即出現(xiàn)偏心生長(zhǎng)。最后，由于水熱過程發(fā)生在密閉且不透明的高壓釜內(nèi)，精確且及時(shí)地控制包層生長(zhǎng)速率變得極為困難，甚至出現(xiàn)纖芯回溶的現(xiàn)象。

圖10 (a)水熱生長(zhǎng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；(b)利用水熱法所制備的C4光纖顯微圖像；(c)生長(zhǎng)條件控制不當(dāng)所制備的包層[57]Fig.10 (a)A schematic diagram of hydrothermal growth chamber;(b)microscopic image of C4 optical fiber prepared by hydrothermal method；(c)cladding prepared using improper growth conditions[57]

盡管包層制備技術(shù)種類繁多且具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但整體來看LPE在生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶包層方面具有更為顯著的優(yōu)勢(shì)，且國(guó)內(nèi)外研究者已基于該技術(shù)開展了大量的單晶包層生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)并取得了不錯(cuò)的成效。前面也提及LPE技術(shù)生長(zhǎng)單晶包層時(shí)通常需引入含鉛助溶劑體系，因此，未來在保證溶劑對(duì)溶質(zhì)具有較高的溶解度且對(duì)晶體生長(zhǎng)無污染前提下，應(yīng)大力開發(fā)非鉛助溶劑體系，提高晶體生長(zhǎng)可控性并簡(jiǎn)化晶體生長(zhǎng)裝置。同時(shí)，如何在不破壞晶體完整性的情況下除去粘附于包層表面的助溶劑也是值得探究的。

3 單晶光纖分類及研究進(jìn)展

近年來隨著單晶光纖生長(zhǎng)設(shè)備的不斷優(yōu)化以及晶體生長(zhǎng)技術(shù)的逐步完善，促使各類單晶光纖不斷涌現(xiàn)并在各領(lǐng)域得以應(yīng)用。本節(jié)將重點(diǎn)介紹常見的單晶光纖分類，包括閃爍單晶光纖、激光單晶光纖、金屬光纖以及非線性單晶光纖等，并簡(jiǎn)要概括其應(yīng)用領(lǐng)域。

3.1 閃爍單晶光纖

閃爍單晶光纖作為輻射敏感材料，兼具輻射發(fā)光和定向波導(dǎo)的功能，有助于降低光子損耗、提高系統(tǒng)的探測(cè)效率和時(shí)間分辨能力。相比于塑料閃爍光纖和玻璃光纖，閃爍單晶光纖兼具尺寸小、耐高溫、輻射敏感度高、抗輻射損傷能力強(qiáng)等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[65]，并逐步應(yīng)用于核物理、高能物理研究、大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)和國(guó)家點(diǎn)火裝置輻射探測(cè)以及醫(yī)療PET診斷中[11,66]。相比于利用傳統(tǒng)提拉法生長(zhǎng)大尺寸單晶塊體，單晶光纖可簡(jiǎn)化加工流程，更為簡(jiǎn)便且快速地應(yīng)用在各輻射探測(cè)器件中。表1給出了YAG∶Ce、LuAG∶Ce和LYSO∶Ce閃爍單晶光纖的性能參數(shù)[66-68]。

表1 閃爍單晶光纖的性能[66-68]Table 1 Properties of scintillation single crystal fibers[66-68]

巴黎第十一大學(xué)利用微下拉技術(shù)生長(zhǎng)了直徑為350 μm的Ce∶LuAG單晶光纖并將其組裝成閃爍陣列，如圖11(a)所示。為證實(shí)無機(jī)閃爍材料具有更高的光產(chǎn)額特性，該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比了相同維度下Ce∶LuAG單晶光纖與有機(jī)光纖在6 MeV的X射線輻照下的光輸出。結(jié)果顯示閃爍單晶光纖產(chǎn)生的光信號(hào)強(qiáng)度是有機(jī)光纖發(fā)光強(qiáng)度的6倍，其發(fā)光強(qiáng)度對(duì)比效果如圖11(b)所示[69]。

圖11 (a)Ce∶LuAG單晶光纖陣列；(b)X射線輻照下無機(jī)/有機(jī)混合閃爍光纖陣列發(fā)光強(qiáng)度對(duì)比[69]Fig.11 (a)Ce∶LuAG single crystal fiber array;(b)comparison of luminescence intensity of hybrid inorganic/organic scintillation fiber array under X-ray irradiation[69]

3.2 激光單晶光纖

限制高功率激光器發(fā)展的因素之一為器件的散熱能力，尤其是增益介質(zhì)的熱管理能力。盡管可以通過水冷或氣冷的方式降低激光器的工作溫度，增強(qiáng)器件工作穩(wěn)定性，但不足之處在于器件尺寸大，成本高昂。單晶光纖增益介質(zhì)兼具玻璃光纖高長(zhǎng)徑比和可彎曲的特點(diǎn)以及單晶塊體優(yōu)異的物化性能和熱管理能力，可實(shí)現(xiàn)高功率激光穩(wěn)定輸出[38,61]。2011年，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究所(CNRS)首次提出基于Nd∶YAG單晶光纖增益載體的激光器，利用有限元分析(FEA)了單晶光纖幾何結(jié)構(gòu)(φ1 mm×50 mm，0.2%)與傳統(tǒng)的塊體單晶(方形截面3 mm×3 mm，1%或0.2%)在溫度特性上存在的差異。模擬結(jié)果顯示在相同泵浦功率下，晶體截面(徑向)最大溫差與摻雜離子濃度以及截面形狀有關(guān)，低摻雜濃度以及圓形截面有利于獲得較低的徑向溫差，顯示出優(yōu)異的散熱能力?；谏鲜瞿M參數(shù)進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)研究，表明高泵浦功率所引起的單晶光纖溫升較低(ΔT=31 ℃)。利用搭建的激光測(cè)試平臺(tái)(見圖12)，在86 W泵浦功率下(λ=808 nm)可獲得最大輸出功率為34 W、斜效率達(dá)53%以及光轉(zhuǎn)換效率為39.5%的激光。在現(xiàn)有的泵浦功率下并未發(fā)現(xiàn)激光輸出功率弱化，說明該激光器可在更高泵浦功率下穩(wěn)定工作，結(jié)合雙端面泵浦結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提高激光輸出功率[70]。

圖12 Nd∶YAG單晶光纖激光測(cè)試裝置[70]Fig.12 Experimental setup for Nd∶YAG single crystal fiber measurement[70]

法國(guó)南巴黎大學(xué)Sangla等[71]提出，相比于Nd3+激活離子，Yb3+摻雜晶體可有效降低介質(zhì)熱產(chǎn)生量且表現(xiàn)出更好的光轉(zhuǎn)換效率，且基于μ-PD技術(shù)所制備的Yb∶YAG單晶光纖首次實(shí)現(xiàn)1 031 nm波長(zhǎng)的激光輸出且光束質(zhì)量因子(M2)為2.8。進(jìn)一步，該研究團(tuán)隊(duì)基于1% Yb∶YAG單晶光纖(φ1 mm×40 mm)并采用940 nm激光作為光泵浦源，獲得了251 W連續(xù)激光輸出且斜效率高達(dá)53%，證實(shí)了以Yb∶YAG單晶光纖為增益介質(zhì)的連續(xù)波(CW)激光器在高功率激光輸出的潛在應(yīng)用[72]。此外，Yb∶YAG單晶光纖作為激光器的增益介質(zhì)同樣具有良好的放大潛力，法國(guó)Zaouter等[73]首次報(bào)道了在超短脈沖放大中使用Yb∶YAG單晶光纖并以此獲得單脈沖能量為400 nJ且平均輸出功率為12 W的激光輸出，同時(shí)在最大泵浦功率下，激光脈寬為350 fs。為避免單端抽運(yùn)可能造成的晶體端面損傷以及進(jìn)一步提高激光斜效率，瑞士Markovic等[74]首次在基于Yb∶YAG單晶光纖放大器中采用雙端抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示其激光增益約為2 000倍，該值是所有報(bào)道的基于單晶光纖增益介質(zhì)中最高的。

摻鉺的釔鋁石榴石(Er∶YAG)晶體是最具吸引力的材料之一，所發(fā)射的1.6 μm左右激光是人眼安全激光源并作為大氣傳輸窗口，廣泛用于遙感、自由空間通信以及相干激光雷達(dá)等領(lǐng)域[75-76]。Martial等[77]利用微下拉技術(shù)成功生長(zhǎng)了高長(zhǎng)徑比Er∶YAG單晶光纖(φ0.8 mm×800 mm)并進(jìn)一步表征了其激光特性。Er∶YAG單晶光纖首先被包裹在金箔中以增強(qiáng)柱面反射效果，并進(jìn)一步用銦箔再次包裹以確保增益介質(zhì)與水冷銅塊裝置具有良好的熱接觸。在1 532 nm且泵浦功率為34.7 W的泵浦源作用下可輸出975 mW的激光。

除了上述提及的Nd3+、Yb3+以及Er3+激活離子外，在人眼安全的2 μm光譜區(qū)域工作的Ho3+摻雜晶體的研究也發(fā)展迅速。美國(guó)克萊姆森大學(xué)Li等[78]利用LHPG技術(shù)制備了0.5% Ho∶YAG單晶光纖并成功獲得2.09 μm波長(zhǎng)激光輸出。2019年，德國(guó)馬克思-波恩非線性光學(xué)和短脈沖光譜研究所(MBI)[79]首次報(bào)道了基于Ho∶YAG單晶光纖所制成的調(diào)Q激光器，在重復(fù)頻率為1 kHz的條件下，其脈沖能量和脈寬分別為1.44 mJ和7.5 ns。2020年，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探討了Ho∶YAG單晶光纖在連續(xù)波激光器的輸出特性，可實(shí)現(xiàn)功率為35.2 W的2.09 μm波長(zhǎng)激光輸出且斜效率達(dá)42.7%[80]。這是目前報(bào)道的在2 μm光譜范圍內(nèi)單晶光纖激光器所能實(shí)現(xiàn)的最高輸出功率。國(guó)內(nèi)江蘇師范大學(xué)徐曉東團(tuán)隊(duì)、同濟(jì)大學(xué)徐軍團(tuán)隊(duì)以及山東大學(xué)王正平團(tuán)隊(duì)[80]也在Ho∶YAG單晶光纖制備及性能研究方面做了大量的工作。

3.3 金屬光纖

鉑(Pt)、銥(Ir)以及銠(Rh)等貴金屬由于其高的抗氧化能力、高熔點(diǎn)以及催化性能等特性已被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。在某些特定領(lǐng)域如高溫?zé)犭娕?、晶體生長(zhǎng)以及汽車等領(lǐng)域，要求上述金屬為直徑細(xì)小的纖維棒狀。若采用傳統(tǒng)的工藝直接將塊體貴金屬加工成纖維狀，則極大提高了制造成本且效率低。微下拉技術(shù)的出現(xiàn)可有效簡(jiǎn)化貴金屬光纖制備工藝，提高產(chǎn)率并降低生產(chǎn)成本。2016年，日本東北大學(xué)采用微下拉法并結(jié)合高頻感應(yīng)加熱，利用直徑為0.95 mm鉑絲成功從ZrO2坩堝底部(底部開孔直徑1 mm)引出米量級(jí)長(zhǎng)度的Pt絲且直徑較為均勻，如圖13所示。進(jìn)一步探討了下拉方式對(duì)Pt絲質(zhì)量的影響，結(jié)果表明維持低拉速可實(shí)現(xiàn)等徑且柱面光滑的Pt絲生長(zhǎng)[81]。

圖13 (a)微下拉過程中金屬纖維與坩堝底部視圖；(b)以恒定拉速(10 mm/min)制備的Pt纖維；(c)以不同拉速(1～120 mm/min)生長(zhǎng)的Pt纖維[81]Fig.13 (a)View of the growing fiber and the bottom of crucible during the crystal growth by μ-PD;(b)Pt fiber grown at constant pulling rate (10 mm/min);(c)Pt fiber grown at various pulling rates (1～120 mm/min)[81]

相比于鉑或鉑-銠合金絲，銥或銥-銠合金絲的制備工藝更為復(fù)雜，需要經(jīng)過多次反復(fù)塑形和退火處理，一定程度上提高了金屬絲的脆性。2018年，日本東北大學(xué)利用合金微下拉(alloy-micro-pulling down，A-μ-PD)技術(shù)直接制備了純銥絲和銥-銠合金絲，所制備的銥-銠合金絲(Ir-43.7%Rh(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))長(zhǎng)度可達(dá)9.5 m且具有較好的塑形能力。同樣利用該技術(shù)制備的純銥絲也展現(xiàn)出高的可塑性，這是因?yàn)锳-μ-PD法可有效降低金屬內(nèi)部晶界數(shù)，甚至實(shí)現(xiàn)單晶生長(zhǎng)。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)所生長(zhǎng)的金屬絲柱面存在孔隙或凹坑，通過在晶體生長(zhǎng)過程中引入氫氣氣氛，可顯著提高金屬絲柱面光滑性[82]。

3.4 非線性單晶光纖

相比于傳統(tǒng)的非線性光學(xué)塊體單晶，非線性單晶光纖優(yōu)勢(shì)在于：(1)由于其大的長(zhǎng)徑比以及高的光學(xué)質(zhì)量，可顯著提高激光與非線性晶體的相干長(zhǎng)度，獲得更高的倍頻轉(zhuǎn)換效率；(2)非線性單晶光纖結(jié)構(gòu)有效增強(qiáng)光纖散熱能力，可實(shí)現(xiàn)更高光密度泵浦，進(jìn)而獲得高功率激光輸出；(3)有效抑制走離角問題，進(jìn)一步增強(qiáng)相干距離；(4)與其他材質(zhì)光纖具有高的耦合效率，提高器件整體性能；(5)無需極化就可實(shí)現(xiàn)單疇結(jié)構(gòu)[83-84]。然而，盡管非線性單晶光纖具有如此優(yōu)異的性能，但現(xiàn)階段關(guān)于該類材料的制備及性能研究報(bào)道較少。

針對(duì)各類單晶光纖更為深入和具體的應(yīng)用場(chǎng)景，美國(guó)匹茲堡大學(xué)研究者[52]以及山東大學(xué)陶緒堂團(tuán)隊(duì)[39]均已作了較為翔實(shí)的研究報(bào)道，其中涉及單晶光纖激光器、高溫環(huán)境傳感器、輻射探測(cè)、光信息傳導(dǎo)、應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量、化學(xué)檢測(cè)以及醫(yī)療診斷等。感興趣的研究者可參考上述提及的研究團(tuán)隊(duì)所發(fā)表的文章。

4 結(jié)語與展望

單晶光纖生長(zhǎng)技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已能滿足各類晶體光纖制備要求，包括μ-PD、LHPG以及EFG法，其中針對(duì)前兩種生長(zhǎng)技術(shù)的研究報(bào)道更為廣泛，被認(rèn)為是生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶光纖強(qiáng)有力的工具。此外，化學(xué)溶蝕法作為一種較為新穎且低成本的光纖制備技術(shù)同樣值得關(guān)注。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及優(yōu)異的熱管理能力，促使單晶光纖具有低的非線性效應(yīng)、高散熱能力以及良好的光信息傳導(dǎo)能力，使其在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用潛力?？傮w來看，單晶光纖未來的研究依舊圍繞提高晶體光纖質(zhì)量、降低傳輸損耗以及擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域等方向進(jìn)行展開。顯然，高質(zhì)量單晶光纖的制備離不開成熟的晶體生長(zhǎng)設(shè)備以及完善的晶體生長(zhǎng)理論作為支撐，為此，各領(lǐng)域研究者在基礎(chǔ)理論、晶體生長(zhǎng)裝置以及性能優(yōu)化等方面還有很大的發(fā)揮空間?？梢韵嘈乓詥尉Ч饫w作為工作介質(zhì)的各類器件的優(yōu)勢(shì)將隨著晶體生長(zhǎng)技術(shù)的不斷完善得以顯現(xiàn)并服務(wù)于各應(yīng)用領(lǐng)域。