单晶玻璃复合光纤探究

将晶体材料生长成直径为几微米到数百微米不等的纤维状单晶，以纤维状单晶作为纤芯，通过直接拉制或后处理的方式得到具有芯包结构的单晶－玻璃复合光纤，光纤纤芯仍为单晶。单晶－玻璃复合光纤不仅具有单晶材料优异的物理化学性质，还具有玻璃光纤柔韧和光波导特性，有望用于制备各种新颖的光纤器件，如光纤放大器、光纤激光器以及光纤传感器等。单晶－玻璃复合光纤是由纤维状单晶发展过渡而来，最初单晶纤维是没有玻璃包层的裸纤。1967年，Labelle和Mlavsky采用射频加热拉制技术制备出第一根单晶纤维——蓝宝石（α－Al2O3）单晶纤维，直径为500μm［125］。随后，Gasson等采用激光加热浮区法分别制备出Y2 O3、CaZrO3、MgAlO4和Al2 O3单晶纤维，直径最小为5 mm［126］。Haggerty将激光加热浮区法发展为四条激光束加热的浮区法，制备出Al2O3、Y2O3、TiC以及TiB2单晶纤维［127］。这些光纤尽管质量并不理想，但为激光加热基座法的诞生打下了基础。1975年，美国贝尔实验室的Burrus和Stone首次采用激光加热基座生长（LHPG）法成功制备出Nd：YAG、Nd：Y2 O3以及Cr：Al2 O3等单晶纤维［128，129］。目前，已有60余种单晶纤维采用LHPG法成功制备出来，包括氧化物、卤化物、硼化物、碳化物、金属及半导体材料等［24］。但从热力学和动力学两方面考虑，一些红外材料（主要为卤化物）的熔点低，在熔化温度附近会挥发或分解，因而不宜采用LHPG法。另一种常用的单晶纤维制备方法是微下拉（micro pulling down，μ－PD）法，Fukuda课题组在1994年首次提出，通过坩埚底部微型喷嘴连续向下输送熔融物质实现单晶纤维生长，该技术可对单晶纤维直径和均匀性进行很好的控制［130，131］。微下拉法其实是导模法的变体，Labelle等在1971年使用模具向上提拉，从熔体中制备出蓝宝石纤维，并将其命名为导模法［132］。与导模法相比，微下拉法的应用范围更广。导模法局限于润湿性熔体，且制备过程中，仅由模具的毛细作用支持熔体向生长界面处的供应，当熔体的湿润度过低时就无法保证生长原料的连续供应［133］；而微下拉法可从润湿性和非润湿性熔体中制备单晶纤维，并且制备过程中单晶纤维的生长方向与重力方向一致，重力可作为一种额外的驱动力支持熔体向生长界面处供应。日本国际电讯电话研究和发展实验室的Mimura采用改进的下拉（modified pulling down，MPD）法生长出KCl、KBr、CsBr以及CsI等单晶纤维。MPD法实质上也是导模法，单晶材料用Pt－Ph坩埚熔化，熔体通过坩埚底部引出拉制成纤维［134－136］。微下拉法的优势在于制备纤维的稳定性和均匀性好，可同时生长多根单晶纤维，生产效率较高，原料利用率高。但其缺点也是明显的：①受容器的限制，难以避免污染问题；②在使用定向种子牵引时，很容易产生震动或种子偏移，导致种子与熔体交界处熔融区稳定性下降；③受限于喷嘴结构的限制，制备的单晶纤维直径一般为0.155 mm；④当制备稀土离子掺杂单晶光纤时，易发生偏析现象使得稀土离子分布不均匀［133］。

激光加热基座生长法和微下拉法制备的单晶纤维没有玻璃包层，导致单晶纤维损耗较大、强度和韧性较差。1976年，贝尔实验室的Burrus等先采用激光加热基座生长法制备Nd3+：YAG单晶纤维，再通过后处理在Nd3+：YAG单晶纤维表面涂覆一层无色的铅玻璃，使光纤损耗降低的同时增强了其强度和韧性，首次制备出单晶－玻璃复合光纤［31］。随后，研究人员开发出了多种在单晶纤维的表面制备无掺杂晶体或者玻璃包层的方法，主要包括内扩散法、外扩散法、高能离子注射注入法、电子束外部沉积法、离子溅射法、溶胶－凝胶法、浸渍涂覆法、激光加热基座拉丝法和套管法等［33，137，138］。其中，最常用的为激光加热基座拉丝法和套管法。2004年，Huang等开发出了激光加热基座拉丝（co－drawing LHPG）法制备具有玻璃包层的单晶－玻璃复合光纤，具体过程如2.1.4所述。套管法，它是利用晶体熔化温度比包层玻璃软化温度高的特点，将制得的晶体光纤插入毛细玻璃管中，然后通过加热使玻璃软化；玻璃通过流动收缩，最后紧密地包覆在单晶纤维表面。此方法是一种适合制备熔化温度比较高的单晶光纤包层的方法，晶体纤芯和玻璃包层之间几乎没有发生元素扩散和化学反应，因而制备的一般是单包层单晶－玻璃复合光纤。目前制备的晶体主要为激光晶体、非线性晶体以及其它功能晶体。据此，单晶－玻璃复合光纤也分为激光单晶－玻璃复合光纤、非线性单晶－玻璃复合光纤以及其它功能单晶－玻璃复合光纤。(www.xing528.com)