激光加热基座法单晶光纤生长技术

单晶光纤是指具有光学纤维形态的单晶体,其同时保持了玻璃光纤的形态优势以及体块单晶优异的物理和化学性能,为高功率激光应用中替代传统玻璃光纤提供了一种思路。随着单晶光纤在材料种类及应用方向的不断拓展,单晶光纤在辐射探测、高温传感等领域也具有潜在的应用前景。本文在介绍单晶光纤应用背景的基础上,对国内外激光加热基座法单晶光纤生长技术进行了总结,详细讨论了单晶光纤生长过程中存在的问题及其改进方案,最后对单晶光纤未来的发展方向进行了展望。

激光加热基座法制备Er∶YAP单晶光纤及性能表征

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,Er^(3+)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。

激光加热基座（LHPG）法生长YVO_4晶纤

采用激光加热基座（ＬＨＰＧ）法，用两束ＣＯ２激光加热生长ＹＶＯ４晶纤。源棒直接由Ｙ２Ｏ３－Ｖ２Ｏ５粉末压制、烧结制成。生长的晶纤开始一段是长约５－１０ｍｍ的浅黄色单晶，随着是灰黑色多晶。Ｘ射线结构分析表明，晶纤是ＹＶＯ４化合物，但含有少量Ｙ８Ｖ２Ｏ１７第二相微粒。文中讨论了生长的ＹＶＯ４晶纤中形成多晶段的原因。

上海硅酸盐研究所利用激光加热基座法(LHPG)成功制备高长径比Yb∶YAG单晶光纤

单晶光纤直径在百微米量级或更小直径下才能真正发挥"准一维形态"单晶材料的尺寸优势,以望实现理论输出极限,因此制备直径在百微米量级或更小直径的单晶光纤显得尤为重要。导模法、微下拉法等方法因受模具、坩埚材料的限制难以制备百微米量级的单晶光纤;而LHPG方法制备单晶光纤的过程中无需使用坩埚,单晶光纤的外形主要通过籽晶与料棒的拉速比来控制,可有效解决其他光纤生长方法过程中存在的熔体浸润性、模具加工精度等问题,实现直径百微米量级单晶光纤的制备,在制备高长径比的单晶光纤时具有独特的优势。此外,LHPG方法还具有生长速度快、原料用量小、设备功率低等优点。目前采用LHPG方法己经生长出数十种单晶光纤,涉及激光、高温探测等多个应用领域。

激光加热基座法生长高质量Yb^(3+)掺杂Y_(3)Al_(5)O_(12)单晶光纤

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Yb^(3+)掺杂Y_(3)Al_(5)O_(12)(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。

(Mg_(0.95)Ca_(0.05))TiO_3晶体的激光加热基座法生长及其性质测定

采用激光加热基座法(LHPG)生长出了共晶系(Mg0.95Ca0.05)TiO3晶体。通过粉末X射线衍射分析了所生长晶体的晶相,采用扫描电镜和显微拉曼光谱技术研究了所生长晶体的微观结构。(Mg0.95Ca0.05)TiO3晶体由CaTiO3和Mg-TiO3两种晶体复合而成。介电测量结果表明:(Mg0.95Ca0.05)TiO3晶体沿生长方向具有较大的介电常数和较小的共振频率温度系数。

新型激光加热基座生长法生长氧化锆单晶光纤

为了拉制氧化锆单晶光纤,采用一种基于激光加热基座生长法的单晶光纤拉制系统,在原有的激光加热基座生长法生长单晶光纤的基础上,设计出环形聚焦激光加热系统,对其光学系统进行了改进、优化。利用椭球镜的双焦点特性设计光路,在其第一焦点处形成聚焦环形热源,用于熔化晶棒,拉制光纤;通过ZEMAX光学软件对系统进行了光学仿真。结果表明,在光学系统的聚焦点,能形成高质量的环形热源。该系统有着其它激光加热基座生长法的光学系统无法比拟的优点,在拉制氧化锆和其它高温单晶光纤方面有着很好的应用。

激光加热基座光纤炉研制及单晶光纤生长研究

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Al_(2)O_(3)、YAG、LuAG等单晶光纤,其中YAG单晶光纤直径可达200μm,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。

激光加热基座技术生长超细单晶光纤研究

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、信息通信等国防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60~100μm、长径比>6000∶1的超细Al_(2)O_(3)、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。

LHPG法生长单晶光纤中熔区生长界面对消除气泡的影响

采用激光加热基座法(LHPG法)生长的单晶光纤一般具有较好的表面光学质量,但单晶光纤在生长过程中常产生包裹气泡。该类气泡的存在将严重劣化光纤的性能。由于其产生原因复杂,多年来一直没有有效的消除方法。本文采用LHPG法生长Nd3+:YAG单晶光纤,深入分析了熔区生长界面对消除气泡的影响。实验结果表明,相比于其它熔区,凹形熔区稳定性能较好,是最佳的熔区形状,采用此熔区生长出的单晶光纤没有气泡,具有极好的光学品质。

LHPG法单晶光纤生长中的熔区控制技术

采用激光加热基座生长法 (LHPG)生长单晶光纤 ,研究晶体源棒的熔球大小、籽晶点入深度与熔区长度、生长速度、生长质量的关系及控制技术 。

基于LHPG法的单晶光纤生长技术研究

单晶光纤作为高温传感器的关键器件在航空航天、军事研究、电力、铸造等方面有着广泛的应用。文中介绍了一种基于激光基座加热法的单晶光纤拉制系统,并通过ZEMAX光学软件对系统进行了光学仿真。软件仿真结果表明,在光学系统的聚焦点,能形成高质量的环形热源,验证了系统的优越性。为了拉出高质量的单晶光纤,对光学系统的熔区建立数学模型,并从理论分析上讨论了各种因素对单晶光纤品质的影响。由于系统有着其他激光基座加热法的光学系统无法比拟的优点,在拉制氧化锆和其他高温单晶光纤方面有着很好的应用。

复合单晶被动调Q光纤激光器的制备与数值模拟

为了开发新型激光材料,采用激光加热基座法将Cr4+∶YAG单晶光纤和Nd3+∶YAG单晶光纤生长为一体化复合单晶光纤。利用速率方程理论,得到包含激光增益介质反转密度、光子密度和饱和吸收介质基态布居数密度的速率方程组。通过数值计算,求得复合单晶Cr4+被动调Q光纤激光器的若干重要特征参量及其与抽运率的函数关系曲线,计算结果较好地符合了实验结果,从而可以为优化设计这类单晶光纤激光器提供指导。

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。

一体化光纤自调Q激光器及实验研究

用LHPG法将Cr4 +∶YAG单晶光纤和Nd∶YAG单晶光纤生长成为一体化的Nd3+,Cr4 +∶YAG光纤 ,并实验研究了一体化的被动调Q光纤激光器的某些性质。得到了最大输出功率为 15mW ,脉宽为 2 5 0ns的调Q激光。

LHPG生长YAG晶体的掺杂Nd^(3+)和Cr^(3+)浓度研究

以人工方式生长高质量的晶体宝石,是现今材料发展的趋势之一。由于宝石的质量还须考虑到宝石内掺杂的离子浓度高低与分布,因此探讨掺杂物浓度也是宝石晶体研究的重要课题。以低浓度钕与铬离子掺杂于钇铝石榴石(YAG)为实验材料,配合二维数值模拟分析,试图探讨激光加热基座法对晶体生长所造成的浓度变化与相关物理机制,期望能优化以LHPG或类似浮动熔区方法生长晶体的工艺流程,为提升晶体质量作出贡献。

Er掺杂CGA晶体的生长及浓度优化研究

本文采用激光加热基座法生长出一系列掺杂不同Er^(3+)浓度(摩尔分数)的Er∶CaGdAlO 4(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955~1020 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Er^(3+)的最佳掺杂浓度为5%。该工作为获得一种有望用于1.5~1.7μm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。

蓝宝石单晶光纤生长及性能研究

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50μm,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3000 MPa,展现出了优异的力学性能。

氧化铝单晶超声温度传感技术研究

针对航空、航天发动机温度测试过程中存在的传感器耐氧化性差、使用寿命短、测温精度低等迫切需要解决的问题。首先,采用超声导波测温原理,使用氧化铝(α-Al_(2)O_(3))单晶纤维作为超声波导,构建了超声温度测量系统。其次,对传感器的敏感元参数进行了设计,利用激光加热基座法生长的氧化铝单晶超声波导,制作了超声温度传感器。最后,对所制作的超声温度传感器进行了标定,在20~1800℃,传感器的灵敏度为0.44 m/(s·℃),重复性为95.27%。在模拟航空发动机测试平台上进行了测温实验,经分析该次测量合成不确定度为7.99℃。该方法为解决航空、航天发动机等恶劣环境下的温度测量,提供了新的途径。

掺钛宝石单晶纤维生长中的若干因素

本文报道了用激光加热基座法生长钛宝石单晶光纤中，激光功率、熔区形状、拉速及直径比等因素对光纤质量的影响。系统地研究了绿光吸收系数对于生长气氛和源棒浓度的依赖关系。