什么是單晶光纖？單晶光纖的特性、制造與應用

    一、定義與基本特性

    單晶光纖是由單晶材料制成的長而細的棒狀物，通常直徑小于1毫米（極端情況下僅有幾微米），長度在10厘米到數米之間。盡管被稱為光纖，但許多單晶光纖并不足夠細且穩定以允許大幅度彎曲。它們主要用于光學應用，但也存在機械應用，例如用于高靈敏度干涉儀的低熱噪聲懸掛裝置。

    單晶光纖不應與光子晶體光纖混淆，后者通常由玻璃或聚合物制成。

    二、制造方法

    （一）激光加熱基座生長法（LHPG）

    這是最常用的制造方法。使用激光（通常是CO?激光）加熱單晶棒的尖端，并緩慢向上拉（例如每分鐘幾毫米），使其很快再次固化。所得光纖的直徑通常約為源晶體直徑的三分之一。熔融區域（浮區）由表面張力而非與坩堝的接觸保持在一起，從而避免了雜質的污染。

    這種方法雖然可以生產1米或更長的光纖，但生長速度較慢（遠慢于玻璃光纖的拉制），并且一次只能生長一根單晶光纖。此外，它對氣流、振動或激光功率波動等干擾敏感，容易在表面造成不規則性。

    （二）邊緣限定薄膜進料生長法（EFG）

    這是一種更快的生長方法。生長材料通過一個或多個毛細管（例如在鉬模具中）供應，毛細管的直徑基本上決定了所得光纖的直徑。與激光加熱生長相比，薄膜進料生長可以更方便地用于同時生長多根光纖，但缺點是會污染光纖材料。

    （三）微下拉法（μPD）

    這是薄膜進料生長的一種變體，晶體向下拉。與傳統的薄膜進料生長方法一樣，新鮮熔融材料通過一個細通道供應到生長區域。如果過程控制良好，可以實現光纖的單晶結構，盡管當源材料熔化時，這種質量顯然會丟失。

    三、材料

    大多數單晶光纖由一些氧化物晶體材料制成，化學和機械上相當穩定。常見的材料包括：

    藍寶石（Al?O?）：特別硬，具有高熱導率，透明區域范圍廣（可達3.2微米），可摻雜Ti3?離子以獲得寬帶激光晶體。

    YAG（Y?Al?O??）：也相當硬，可摻雜多種稀土激光增益介質。由于其立方晶體結構，其晶體方向對于大多數用途并不重要。

    其他氧化物：如GGG（Gd?Ga?O??）等其他石榴石晶體材料，以及尖晶石（MgAl?O?）。

    一些其他材料也在實驗階段使用，包括：

    氟化物晶體（如LiF）：具有非常寬的光譜傳輸范圍。

    非線性晶體材料（如LiNbO?）：用于光學參量放大器。

    半導體（如Si、Ge或SiGe）：在紅外區域具有傳輸特性和強光學非線性。

    四、與玻璃光纖的比較

    單晶光纖在幾何形狀上與普通光學玻璃光纖相似（長、細、圓柱形）。然而，與真正的光纖不同，它們通常不包含光纖芯；多模波導只能基于晶體空氣界面的強折射率對比來實現。包層層（折射率略低于芯玻璃）有助于降低傳播損耗并可能允許單模引導，但制造困難。此外，熱透鏡效應也會對模式結構產生影響。

    單晶光纖只能有限彎曲，且具有更大的有效模式面積，因此在給定光功率水平下光強度更低，材料非線性影響更小，光學損傷閾值更高。因此，它們適用于更高的功率水平，特別是在超短脈沖放大領域。然而，由于其固有的多模特性，獲得高質量的輸出光束可能更具挑戰性。

    另一個本質區別是使用單晶材料而非非晶材料。這使得可以實現更高的激光活性離子摻雜濃度，稀土離子的吸收和發射光譜在晶體材料中通常具有更小的帶寬，意味著更高的躍遷截面，從而實現更強的泵浦吸收、更高的增益和更低的增益飽和能量和強度。

    五、典型特性

    單晶光纖的傳播損耗通常比相應的塊狀材料（或玻璃光纖）高得多，主要是由于表面散射損耗（表面缺陷如生長條紋）以及非常強的折射率對比（遠高于常規光纖的芯包層界面）。然而，它們可以低于1分貝/米甚至低于0.1分貝/米，因此不會嚴重降低設備的功率效率。

    使用的材料通常具有良好的紅外傳輸范圍，因此有時可以作為基于玻璃或多晶材料的中紅外光纖的替代品，例如用于傳輸2.9微米的Er:YAG激光器輸出。與中紅外光纖相比，它們可能允許以更低的光學功率損耗傳輸更高的光學功率。然而，它們通常不能在與某些紅外光纖相同的長波長下使用。

    與常規激光晶體相比，單晶光纖具有更長的傳播長度，因此可以實現更高的光學增益——例如20分貝甚至更多。盡管長度長且光束直徑相對較小，但不需要特別高的泵浦光束質量，因為可以利用晶體空氣界面的波導效應（盡管以增加散射損耗為代價）。

    六、應用領域

    單晶光纖在多個領域展現出獨特的優勢和應用潛力：

    （一）高功率激光器

    單晶光纖的大有效模式面積和高光學損傷閾值使其成為高功率激光器的理想選擇。它們能夠處理更高的功率水平，同時保持較低的光強度，從而減少非線性效應的影響。例如，在工業加工領域，高功率激光加工設備需要高效且穩定的傳輸介質，單晶光纖能夠滿足這一需求，提供高能量密度的激光輸出，實現精確的切割、焊接和打標等操作。

    （二）超短脈沖放大

    在超短脈沖放大領域，單晶光纖的長傳播長度和高增益特性使其能夠有效地放大超短脈沖，而不引起嚴重的脈沖失真或非線性效應。這對于需要高能量、超短脈沖的應用，如光學參量放大、光譜學研究和光通信中的脈沖壓縮等，具有重要意義。通過單晶光纖的放大，可以實現更高能量的超短脈沖輸出，推動這些領域的研究和應用向更高水平發展。

    （三）中紅外傳輸

    某些單晶光纖材料具有良好的紅外傳輸特性，能夠作為中紅外光纖的替代品，用于傳輸特定波長的激光，如2.9微米的Er:YAG激光器輸出。與傳統的中紅外光纖相比，單晶光纖在傳輸效率和功率處理能力方面具有優勢，能夠在醫療、環境監測和光譜分析等領域發揮重要作用。例如，在醫療領域，中紅外激光用于某些特定的治療過程，單晶光纖能夠安全、高效地傳輸激光能量，提高治療效果和精度。

    （四）光學傳感

    單晶光纖的特殊性能也使其在光學傳感領域具有潛在的應用價值。其高增益和低非線性特性可以用于構建高靈敏度的傳感器，用于檢測微小的物理或化學變化。例如，在壓力、溫度和折射率等參數的傳感方面，單晶光纖可以提供更穩定、更精確的響應，拓展光學傳感技術的應用范圍和性能邊界。

    七、結論

    單晶光纖作為一種特殊的光學材料，在高功率激光傳輸、超短脈沖放大、中紅外傳輸和光學傳感等領域具有獨特的優勢和廣闊的應用前景。盡管其制造過程相對復雜，傳播損耗較高等問題仍待進一步優化，但隨著技術的不斷進步和研究的深入，單晶光纖有望在更多領域發揮重要作用，推動光學技術的發展和創新。