1 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
2 山东省工业技术研究院，济南 250100
蓝宝石单晶光纤结合了蓝宝石单晶熔点高、物理化学性能稳定的性能特点和光纤长径比大的结构优势，在高温传感、辐射探测等领域得到了广泛的研究。本文通过激光加热基座(LHPG)法成功制备出高质量蓝宝石单晶光纤，其最小直径为50 μm，具有极高的柔韧性。在此基础上系统研究了晶体取向、晶体直径、退火温度等因素对蓝宝石单晶光纤应力分布及力学性能的影响规律，所制备的蓝宝石单晶光纤抗拉强度超过3 000 MPa，展现出了优异的力学性能。
单晶光纤 蓝宝石光纤 单晶生长 激光加热基座法 光纤应力 抗拉强度 single crystal fiber sapphire crystal fiber single crystal growth laser-heated pedestal growth method fiber stress tensile strength
1 暨南大学光电工程系，广州 510632
2 广东省晶体与激光技术工程研究中心，广州 510632
本文采用激光加热基座法生长出一系列掺杂不同Er3+浓度(摩尔分数)的Er∶CaGdAlO4(Er∶CGA)激光晶体，并对制备出的系列晶体开展详细的光学性能研究。结合J-O理论计算和光学性能表征，通过对比吸收光谱中780~840和955~1 020 nm的最大吸收系数、吸收截面、半峰全宽和辐射寿命等，以及荧光发射光谱的发射强度、发射截面和能级荧光寿命等光学性能参数，得到Er3+的最佳掺杂浓度为5%。该工作为获得一种有望用于1.5~1.7 μm近红外波段全固态激光器的新型激光增益介质提供了一定的实验基础。
1.5~1.7 μm近红外激光 Er∶CGA晶体 激光加热基座法 光学性能 全固态激光器 增益介质 1.5~1.7 μm NIR laser Er∶CGA crystal laser-heated pedestal growth method optical property all-solid-state laser gain medium
1 中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 201899
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
本文采用了激光加热基座(LHPG)法逆向生长技术，实现了多组分Er∶YAP晶体的快速制备。利用LHPG法开展了Er∶YAP单晶光纤的生长研究，通过解决单晶光纤生长过程中存在的色心、开裂、直径起伏等关键问题，制备出直径0.8 mm、长度65 mm的高品质Er∶YAP单晶光纤。对不同掺杂浓度Er∶YAP晶体的光谱性能进行表征分析，结果表明掺杂浓度5%(原子数分数)时，Er3+间存在较强的能量传递过程，有利于实现高效率中红外激光输出。
中红外激光 Er∶YAP晶体 激光加热基座法 单晶光纤 能量传递 mid-infrared laser Er∶YAP crystal laser-heated pedestal growth method single crystal fiber energy transfer
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
单晶光纤(SCF)是具有纤维结构的“准一维”功能晶体材料，在高能激光、高温传感、辐射探测、信息通信等**民生领域展现出了巨大的应用前景。本文采用激光加热基座技术成功制备出直径60~100 μm、长径比>6 000∶1的超细Al2O3、YAG单晶光纤，单晶光纤平均直径起伏<4%，展现出良好的柔韧性与波导特性，为单晶光纤器件的小型化与集成化创造了条件。
超细单晶光纤 Al2O3单晶光纤 YAG单晶光纤 激光加热基座法 功能晶体 单晶生长 直径起伏 ultrafine single-crystal fiber Al2O3 single-crystal fiber YAG single-crystal fiber laser heated pedestal growth method functional crystal crystal growth diameter fluctuation
山东大学 晶体材料国家重点实验室, 山东 济南 250100
稀土倍半氧化物单晶光纤材料凭借超高的熔点(~2 400 ℃)、稳定的物化性能以及灵活的结构被认为是极具潜力的高温传感介质。本文采用激光加热基座(LHPG)法, 成功生长了透明无开裂Dy3+离子掺杂的倍半氧化物单晶光纤Lu2O3 和Y2O3 。依据Dy3+离子的4I15/2和4F9/2能级为一对热耦合能级对(TCLs), 测试得到了430~520 nm波长范围内的下转换荧光光谱。荧光强度比(FIR)结果显示, 晶体在298~673 K温度范围内的荧光强度具有良好的温度相关性。其中Dy∶Lu2O3 在该范围内的最大相对灵敏度和绝对灵敏度分别为0.97%·K-1(315 K)和1.62×10-4 K-1(673 K), 展现出更为优异的温度传感性能。
激光加热基座法 倍半氧化物单晶光纤 下转换荧光 荧光强度比 温度探测 laser heated pedestal growth(LHPG) method sesquioxide single crystal fibers(SCFs) down-conversion luminescence fluorescence intensity ratio(FIR) temperature sensing
单晶光纤因其独特的结构特点以及优良的物理性能而被广泛应用于高功率激光器、辐射探测以及高温环境监测等领域。本文综述了单晶光纤的生长技术, 探讨了微下拉法(μ-PD)、激光加热基座法(LHPG)以及导模法(EFG)的生长特点, 并重点梳理了单晶光纤生长过程中存在的问题及解决方案。此外详细介绍了包层制备技术发展现状以及局限性。最后, 阐述了现阶段单晶光纤的主要分类以及应用场景并对未来发展作出展望。
单晶光纤 微下拉法 激光加热基座法 导模法 化学溶蚀法 包层制备 光纤种类 single crystal fiber micro-pulling-down method laser heated pedestal growth edge-defined film-fed growth chemical dissolution method cladding preparation fiber type
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 中国科学院透明光功能无机材料重点实验室, 上海 201899
2 2.中国电子科技集团公司 第二十六研究所, 重庆 400060
单晶光纤即具有光纤形态的单晶材料, 是功能晶体材料一维化发展的重要体现。单晶光纤兼具单晶材料优异的光学性能和激光光纤散热效率高、光束质量高等特点, 有望解决传统玻璃材质激光光纤非线性效应强、热导率低等瓶颈问题, 实现激光峰值功率、脉冲能量等性能的突破。本工作采用自主研制的激光加热基座(Laser-heated Pedestal Growth, LHPG)单晶光纤炉制备了两组Ф0.2 mm×710 mm的Yb3+掺杂Y3Al5O12(Yb:YAG)单晶光纤, 并对其进行了表征。制备的单晶光纤长径比大于3500, 直径波动小于5%, 且表现出一定的柔韧性; X射线摇摆曲线测试结果显示Yb:YAG单晶光纤的结晶质量与所用源棒相比有所提升; EDS线扫描结果证明单晶光纤中的Yb3+沿轴向呈现均匀分布。实验结果表明: 准一维化的单晶光纤具有良好的结晶质量与光学均匀性, 有望成为一种性能优异的高功率激光增益材料。
山东大学晶体材料国家重点实验室，晶体材料研究所，济南 250100
单晶光纤(single-crystal fiber)，是一种纤维形态的晶体材料，凭借优异的物理和化学性能以及大长径比的结构特点在**及民生领域都有着广泛的应用前景。随着导模法、激光加热基座法以及微下拉法等生长技术的日渐成熟，单晶光纤迎来了科学研究和应用发展的黄金时期，其材料种类以及应用方向均呈现多元化发展态势，其中面向高温传感领域的高熔点氧化物单晶光纤凭借其耐高温、抗氧化、结构紧凑等特点在强氧化、强辐射、强腐蚀、强电磁干扰等极端环境中展现出了巨大的应用潜力。近年来，研究者们不断将光学、声学等传感技术与单晶光纤介质相结合，在保持传感器结构灵活性的基础上，拓宽了常规玻璃光纤传感器的使用温度，同时弥补了热电偶等传统接触式测温技术在恶劣环境中寿命较低的缺陷。本文以单晶光纤的制备技术为出发点，回顾了单晶光纤的发展历史，分析了单晶光纤三种主要制备方法的技术特点及发展现状。同时，总结了单晶光纤在高温传感领域的主要研究成果，展望了单晶光纤高温传感技术的应用前景。
单晶光纤 单晶生长 高温传感器 光纤传感器 导模法 微下拉法 激光加热基座法 single-crystal fiber crystal growth high-temperature sensor fiber sensor edge-defined film-fed growth micro-pulling down laser-heated pedestal growth
1 中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室, 上海 201899
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060
单晶光纤 (SCF) 是一种将体块晶体与玻璃光纤的优势相结合的新型一维化晶体材料, 其具有优异的物理化学以及热管理性能, 在激光、闪烁、传感等方面具有巨大的应用潜力。目前单晶光纤的主要生长方法有激光加热基座 (LHPG) 法和微下拉 (μ-PD) 法, 其中 LHPG 法生长过程中不需要使用坩埚, 可制备更小直径的单晶光纤,以充分发挥光纤的形态优势。研制了国内具有自主知识产 权的 LHPG 单晶光纤炉, 并生长了 Al2O3、YAG、LuAG 等单晶光纤, 其中 YAG 单晶光纤直径可达 200 μm, 长度为 710 mm, 长径比大于 3500:1。 同时对单晶光纤的直径均匀性、结晶质量等性能进行了研究, 结果表明准一维化的单晶光纤仍具有良好的物化性能。
光纤光学 单晶光纤 激光加热基座法 光纤质量 fiber optics single crystal fiber laser heated pedestal growth fiber quality
山东大学 信息科学与工程学院 山东省激光技术与应用重点实验室, 山东 青岛 266200
晶体光纤是一种新型的高性能光纤材料，具有稀土离子掺杂浓度高、传光性好、耐高温、耐腐蚀等优点.晶体光纤在激光及传感方面具有巨大的应用潜力，然而至今还没有成功制备出真正意义上的同时具有晶体纤芯和晶体包层的小芯径晶体光纤.与传统的玻璃光纤相比，晶体光纤的制备工艺更加复杂，如何对晶体光纤制备工艺进行完善和创新是当前需要解决的重要问题.为了探索提高晶体光纤质量的途径，本文以晶体光纤的四种制备技术为主线，回顾了晶体光纤及其制备方法的发展历程，讨论了每种制备方法的局限性，对晶体光纤目前的应用状况进行了总结，并对其未来发展趋势进行了展望.
光纤材料 晶体光纤 光纤设计与制造 激光加热基座法 微下拉法 无粘合剂键合法 熔融芯法 Fiber materials Crystal fiber Fiber design and fabrication Laser heated pedestal growth Micro-pulling-down Adhesive-free bonding Molten core 光子学报
2019, 48(11): 1148003
