单晶光纤——高功率激光的优选材料

1917年，Czochralski采用提拉法首次制备出金属单晶光纤，由此拉开了单晶光纤研制的序幕。直到20世纪80年代，美国Feigelson和Fejer教授首次采用激光加热基座法拉制单晶光纤；1993年，日本Fukuda教授发明了微下拉单晶光纤生长炉，单晶光纤的发展迎来了春天。

单晶光纤是将晶体材料制备成直径在几十μm到1 mm之间的纤维状单晶体，具有高长径比、大比表面积、散热好、非线性增益系数小等优势，是当前世界科技研究的前沿和热点。单晶光纤激光器能有效解决石英光纤激光器低损伤阈值、低热导率和严重的非线性效应，以及晶体和陶瓷碟片激光器结构复杂、难以高重频等瓶颈。YAG单晶光纤允许输出的功率可达到传统石英光纤的50倍。因而，单晶光纤是继碟片和玻璃光纤器件之后的未来高功率强激光发展的优选材料。2015年10月，美国陆军武器研究室发布了以激光晶体光纤为主题的企业研发项目，明确激光单晶光纤在定向能激光武器方面预研和开发价值。2016年，基于微加工工业领域的应用需求，法国Fibercryst公司与法国国家科学研究院光学研究所联合开发基于晶体光纤放大器技术的高功率超短脉冲放大器。国内单晶光纤方面的研究虽起步较晚，但发展势头迅猛，山东大学、浙江大学、江苏师范大学、国防科技大学、同济大学、中山大学、中科院上海硅酸盐研究所等单位都已经开展了这方面研究并形成了各自研究特色，在单晶光纤生长、单晶光纤高温传感器、单晶光纤LED光源以及单晶光纤放大器等领域取得了诸多研究成果。

单晶光纤主要有两种形式：(1)带包层的柔性可弯曲单晶光纤，直径低至几十μm，通常采用激光加热基座法(LHPG)生长。这种超细单晶光纤目标是实现与用于高平均功率激光系统的经典光纤类似的纤芯/包层结构。突破单晶熔体熔点对流形成的“毁损”芯-包层界面，实现芯和包层全区域大面积光学均匀性是难点。(2)泵浦光波导空气包层单晶光纤，直径400 μm～1 mm，通常采用微下拉法(μ-PD)生长。其长度一般为几十mm，泵浦光在其中以全反射的方式传输，信号光则自由传播。这种几何形状和光传播模式使得单晶光纤在激光放大中具有优势。

本期封面晶体为微下拉法生长的稀土掺杂YAG单晶光纤，由江苏师范大学江苏省先进激光材料与器件重点实验室徐晓东教授团队以及同济大学物理科学与工程学院徐军教授团队提供，通过控制固液界面形状和高度，保持优化的下拉速度，最终获得高质量的单晶光纤。团队在单晶光纤生长领域具有近十年的研究经验，采用掺杂原子浓度0.6%的未镀膜Ho∶YAG单晶光纤，在中红外2.09 μm波段获得了激光效率42.7%，35.2 W的连续激光输出，是2 μm波段单晶光纤的最高激光输出功率。此外，以Ho∶YAG单晶光纤作为传统调Q激光器的增益介质，获得峰值功率为0.19 MW的纳秒(7.5 ns)脉冲激光，具有较好的稳定性。