激光加热基座拉丝优化技术

激光加热基座生长（laser heating pedestal growth，LHPG）法是一种成熟的单晶纤维制备技术，它不需要坩埚，可制备出高纯度、低缺陷密度、小直径和大长度的单晶［23，24］。但是，该方法制备的单晶纤维没有包层，导致其散射损耗大且横模模式较多。尽管通过向内扩散、高能离子注入、控制掺杂量的外扩散、离子溅射以及在悬浮液中浸渍涂层等方法可以制备单晶纤维的包层，但这些方法制备的包层质量不高［25－32］。2004年，Huang课题组开发出了激光加热基座拉丝（co－drawing laser heating pedestal growth，co－drawing LHPG）法，制备出具有玻璃包层的晶体－玻璃复合光纤。该方法主要包括激光加热基座生长制备单晶纤芯和共拉制备玻璃包层两个过程，适用性广，且制备的晶体－玻璃复合光纤质量高［33］。其中，单晶纤芯为各种氧化物晶体，如掺杂Al2O3、掺杂YAG、LiNbO3以及YVO4等；玻璃包层主要是不同的毛细管，如硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、无色玻璃以及石英玻璃等。图2－5为激光加热基座拉丝法制备双包层的YAG单晶－玻璃复合光纤的原理图，首先采用两次激光加热生长技术将横截面积为500μm×500μm的YAG源棒生长成直径为68μm的YAG单晶，然后将其放入内径和外径分别为76μm和320μm的石英毛细管中，再采用同样的激光加热基座生长技术进行二次加热熔融提拉，从而制备出具有双包层结构的单晶－玻璃复合光纤［34］。YAG晶体的熔点为1970℃，与石英玻璃的软化温度（1600℃）相差不大，激光加热基座拉丝法中的二次加热过程会导致YAG单晶纤芯和石英玻璃包层组分相互扩散，从而在组分混合区形成了一个内包层，而外包层仍是石英玻璃。通过调节CO2激光器的功率和相对生长速度可精确控制晶体－玻璃复合光纤的纤芯直径，且通过选择合适的包层玻璃以及优化单晶生长后的热处理工艺可以减小残余应力对光纤质量的影响。在采用激光加热基座拉丝技术制备光纤过程中，可灵活地加入玻璃网络外体，这是传统的化学气相沉积和溶胶－凝胶法所不能实现的。因此，该方法可提高晶体中激活离子掺杂浓度。但是，采用激光加热基座拉丝法制备的单晶－玻璃复合光纤的长度受限，生长速度缓慢，且纤芯直径较大，很难制备出单模光纤。

图2－5　采用激光加热基座拉丝法制备双包层YAG单晶纤芯－玻璃复合光纤［34］(www.xing528.com)

（a）激光加热基座拉丝法的原理示意图；（b）生长过程中熔融区域的示意图

近些年来，研究人员主要通过上述四种方法成功制备了多种组分复合玻璃光纤，并取得了令人惊喜的研究进展［1－8，12，35］，使得复合玻璃光纤成了光纤光学领域研究的热点。除上述四种主要制备技术外，对于某些特定材料需要采取特定方法将其复合到玻璃光纤中，如量子点掺杂纤芯－玻璃复合光纤大多是通过原子层沉积法实现［36－38］。此外，通过在双锥形单模光纤上涂覆量子点也可制备出量子点－玻璃复合光纤［39］。研究人员结合挤压法和管棒法制备了金纳米颗粒－碲酸盐玻璃复合光纤［40］。