[发明专利]基于离子注入技术修饰的全单晶光纤、制备方法及其数值孔径调控和应用

说明书

本发明涉及基于离子注入技术修饰的全单晶光纤、制备方法及其数值孔径调控和应用。通过向纯相单晶光纤芯部注入激活离子等，可以实现全反射结构并有效降低纤芯尺寸，大幅度降低光波导模数，实现对传输光束的有效约束，完全取代玻璃光纤的传统工艺路线。通过优化注入离子的深度、浓度、类型等，精确调控单晶光纤的数值孔径形成全反射结构，实现高效的光波导性能，通过降低离子注入形成的掺杂纤芯的尺寸可以有效降低光波导模数。本发明可以避免包层涂覆带来的能量损失，制备效率更高，重复性更好，可控性更优的全单晶光纤。在光波导模数控制以及单模光波导，在远距离信息通讯以及高能激光领域有着重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种新型的基于激光激活离子(过渡金属离子、稀土离子等)注入的单晶光纤、制备方法及其数值孔径调控和应用，属于新材料和激光技术领域。

背景技术

单晶光纤是一种一维功能晶体材料，它具有体块晶体优异的物理和化学性能，同时兼具玻璃光纤的高长径比和大比表面积特点，因此，单晶光纤具有热管理简单、稀土掺杂量高、红外透过范围宽、抗损伤阈值高、非线性效应低等优势。因此，单晶光纤在高功率光纤激光领域，特别是红外光纤激光领域具有重大应用前景，将在军事、信息通讯、材料加工、医疗等领域具有重大应用价值。

目前单晶光纤相关领域的制备和应用研究仍处于起步阶段，器件的设计制备大多延续了传统石英玻璃光纤的技术工艺。由于晶体材料和玻璃材料的本质区别，导致了单/多包层结构单晶光纤的制备无法像玻璃光纤一样直接一步拉制而成。此外，单晶光纤在端面抛光、包层制备以及器件耦合等方面存在一定的失配性，在一定程度上增加了单晶光纤器件的能量损耗。单晶光纤器件的发展趋势是小型化、集成化、低成本和高功率，这一目标的实现离不开超细直径单晶光纤的制备，更离不开器件制备工艺的创新与突破，其中高效、高质量光纤包层制备技术是当前制约单晶光纤发展的瓶颈问题之一。

光纤包层的意义在于折射率较低的包层结构可以与纤芯结构相匹配，实现纤芯内部光束的全反射，提高光波导效率，同时也可以通过对包层折射率的调节获得不同的数值孔径，进行光波导模式调控。对玻璃光纤而言，在光纤外部制备与纤芯具有一定折射率差值的玻璃包层，进而实现全反射是目前获得高效光波导的主要方法。但这种方法并不适用于晶体光纤，这是因为传统的玻璃包层虽然可以实现对晶体光纤的表面包覆，但玻璃包层与晶体纤芯的热导率、热膨胀系数等热学性质相差较大，包层结构在高温下会出现严重失配，同时纤芯内部会出现严重的热效应，极大程度上降低了光纤的光束质量、传输效率与使用寿命，也失去了晶体光纤的独特优势。因此，优化晶体光纤制备和加工工艺，获得全单晶材料的单/多包层结构的晶体光纤，并实现对光纤模式的有效调控，是当前单晶光纤材料研究领域的难点和热点。

国内外的研究团队针对晶体光纤包层进行了一系列研究，主要的制备方法有溶胶凝胶法、磁控溅射法与液相外延法等。溶胶凝胶法制备光纤包层是通过将包层材料的前驱体溶液涂覆到晶体光纤表面，通过高温烧结形成致密的晶态包层，该方法成本低，操作简便，但包层均匀性及包层制备效率较低，且需要反复涂覆，效率低、重复性差。Chien-ChihLai等人于2014年报道了利用溶胶凝胶法在Ti:Al₂O₃单晶光纤周围制备了晶态的Al₂O₃包层，实现了纤芯内部的全反射。2018年Jason D.Myers等人报道了使用磁控溅射法在YAG单晶光纤表面制备YAG包层。其将处理后的YAG光纤放置在沉积室中，同时使用多个高纯度YAG溅射靶来提高包层速率并实现包层的均匀覆盖，这一过程通常会持续数百个小时，包层平均厚度为20-30nm，这一方法制备的包层致密性较好包层内部无明显的气孔等缺陷，但制备速率较慢。2018年，美国陆军实验室报道了通过液相外延法在Yb:YAG单晶光纤表层制备了一层致密的YAG晶体包层，此种方法制备的包层厚度可以通过生长时间来进行调控，范围在1-150μm左右，但可包覆光纤尺寸受坩埚尺寸限制。因此，尽管单晶光纤拥有着优异的综合性能，但单晶光纤的全反射结构以及包层结构设计及加工工艺仍不成熟，存在着工艺路线复杂、重复性差、损耗高等严重问题，成为目前制约单晶光纤激光发展的主要瓶颈之一。