激光單晶光纖是介于傳統(tǒng)固體激光器所用的塊體晶體與光纖激光器所用的玻璃光纖之間的新型增益介質(zhì)，是將晶體材料制備成為纖維狀的單晶體，直徑在幾十微米到2毫米之間。它繼承了單晶材料的理化性質(zhì)、光學(xué)性能和光纖材料的形態(tài)特征，具有熱導(dǎo)率高、散熱效率高、非線性增益系數(shù)小等優(yōu)勢，這使得以單晶光纖為工作介質(zhì)的激光器件可以兼具固體激光器的高峰值功率與光纖激光器的高平均功率。

近期，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員蘇良碧、武安華帶領(lǐng)的科研團隊，通過與國內(nèi)外同行的通力協(xié)作，研制了新型激光加熱基座（LHPG）單晶光纖生長爐，并成功制備出直徑0.2 mm、長度710 mm 的Yb:YAG單晶光纖。該單晶光纖長徑比＞3000，直徑波動在±5%以內(nèi)，在目前已知國內(nèi)同類單晶光纖中具有最高的長徑比，且表現(xiàn)出可彎折的柔韌特性，有利于實現(xiàn)全固態(tài)、高緊湊型高功率激光器件的制備。

材料高通量制備技術(shù)可有效加速材料研發(fā)-應(yīng)用進程，被列為“材料基因組計劃”的三大技術(shù)要素之一。該團隊通過改進多坩堝下降法技術(shù)，設(shè)計特殊的甚多微孔石墨坩堝，實現(xiàn)了稀土摻雜CaF2、SrF2等氟化物單晶光纖的高通量制備，單爐次制備的單晶光纖數(shù)量達到102量級，并可在同一爐次制備不同摻雜濃度、不同直徑的單晶光纖，單晶光纖的直徑范圍為0.9~1.9 mm，最大長度達到60mm。該“甚多微孔坩堝法”制備技術(shù)一方面可以在幾乎相同的實驗條件下一次性開展多組分、不同形態(tài)單晶光纖的高通量制備，提高實驗結(jié)果的可靠性、重復(fù)性與效率，另一方面也為這一具有潛在應(yīng)用前景的中紅外單晶光纖的大批量制備提供了技術(shù)基礎(chǔ)。通過與山東師范大學(xué)教授劉杰團隊合作，研究人員采用摻雜濃度3.0 at% ~ 4.0 at%的Er3+:SrF2和Tm3+:CaF2單晶光纖，分別在中紅外2.8 μm和1.9 μm波段實現(xiàn)了激光效率最高為34.9%和64.4%的連續(xù)激光輸出。

相關(guān)研究工作以簡報的形式發(fā)表在《人工晶體學(xué)報》（人工晶體學(xué)報，2020, 49: 175），和國際學(xué)術(shù)期刊《光學(xué)材料》、《光學(xué)快訊》(Optical Materials, 2019, 95: 109255; Optics Express, 2020, 28: 6684-6695)上。

以上系列研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點項目（61635012）和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項（XDB16030000）、裝備研制項目（YJKYYQ20170019）、重點國際合作項目（121631KYSB20180045）的資助。

自主研制的激光加熱基座(LHPG)單晶光纖生長爐

Φ 0.2 mm × 710 mm Yb:YAG單晶光纖晶體

采用“甚多微孔坩堝法”同一爐次高通量制備的Ф 0.9 mm和Ф 1.9 mm Tm3+:SrF2單晶光纖(a)、Ф 1.9 mm Er3+:SrF2單晶光纖(b)以及Ф 1.9 mm Tm3+:CaF2單晶光纖(c)。

Er3+:SrF2單晶光纖的2.8 μm CW激光輸出功率(a)和Tm3+:CaF2單晶光纖的1.9 μm CW激光輸出功率(b)