激光技术在军事国防、工业加工、日常生活等关键领域都具有广泛而不可替代的作用。随着激光技术的发展,激光器向着高功率、大能量、集成化、小型化、低成本方向发展。目前,传统的激光装置已经不能满足新场景、高性能的要求。以玻璃光纤激光器为代表的“第三代激光器”经过多年的研制,激光性能已经逐渐接近或赶超传统的激光系统。然而,由于石英玻璃光纤热导率低、适用波段窄、相干合成系统复杂等不足,使得玻璃光纤在实现高功率激光时会出现严重的热效应及非线性效应。目前,单根玻璃光纤激光输出极限为36.6kW,而这一限制会影响其在高功率、大能量、集成化、小型化需求下的进一步发展。因此,寻找新型高增益、低造价的激光增益介质进而突破现有技术瓶颈成为了当前激光材料领域的研究重点。激光单晶光纤作为一种介于体块晶体和玻璃光纤间的新型一维激光增益材料,兼顾了传统体块晶体材料的高增益以及玻璃光纤良好的散热性等优势,具有极限输出功率高、激光效率高、光束质量好等优点,有望解决固体激光器目前所遇到的功率限制。近年来,单晶光纤材料及器件的研究随着多种新型激光单晶光纤增益介质的研发与产业化,呈现出火热的发展态势。美国、法国、日本、俄罗斯、中国等国家也已相继设立单晶光纤相关的重点研究项目。目前YAG单晶光纤生长已经得到了较多报道,也实现了高效的“百瓦级”激光输出。但与此同时,单晶光纤目前仍然有较多基础问题需要解决。目前,国内外对单晶光纤研究主要集中在高质量单晶光纤纤芯的制备,国际上有多种可行的单晶光纤生长方法,如何对现有方法进行探索改进,寻找高效便捷的单晶光纤生长方法。此外,单晶光纤兼顾体块单晶和玻璃光纤的特点,但目前国际上对单晶光纤激光还停留在借鉴模仿阶段。所以在单晶光纤激光研究中,如何完善单晶光纤激光概念,充分发挥单晶光纤材料独有优势,是单晶光纤材料制备迈向器件应用的重要一步。我国在单晶光纤领域的研究起步较晚,单晶光纤作为新型激光增益基质,相关研究仍处于初期探索阶段,单晶光纤纤芯生长、装置改造、包层设计、质量评估、器件探索及性能优化等都需要进一步研究。其中,高质量单晶光纤的制备是实现激光应用的重要前提。本论文从技术应用到装备制造出发,针对单晶光纤在高功率激光和中红外激光方面的突出优势,选用高质量Y3A15012(YAG)及Y3Sc2Ga3012(YSGG)单晶光纤作为研究对象,以国家相关重点领域突破要求为牵引,对晶体生长方法、设备改进、生长工艺探索及优化、晶纤质量评价表征、晶纤加工及器件应用进行了系统探索,成功开展了晶纤核心缺陷、元素掺杂设计相关研究工作。此外,本论文首次报道了 Er,Nd:YSGG单晶光纤的设计与制备以及其光谱性能的探索与表征。本论文主要的研究内容和相关结论如下:Ⅰ.系统总结了激光陶瓷、激光玻璃及激光晶体的研究现状及发展趋势本论文从不同激光材料的结构特点出发,系统综述了激光陶瓷、激光玻璃及激光晶体等激光增益介质材料的制备方法、性能特点及研究现状,总结了实现高功率,大能量激光发展对增益介质材料的要求。着重对玻璃光纤和单晶光纤增益材料的概念、应用及发展趋势进行了概述,提出了本论文的研究意义、目的和内容。Ⅱ.工艺设备优化及Nd:YAG单晶光纤生长采用微下拉法进行了 Nd:YAG单晶光纤的生长研究,根据生长特点及材料特性,我们从坩埚设计、温场模拟、单晶光纤质量控制、籽晶选用等多方面对高质量大长径比单晶光纤生长技术开展了相关探索。利用自主搭建的高温单晶光纤生长炉,通过防震腔及流动气氛的引入,结合前期探索,分别以Nd:YAG多晶料及单晶料为原料成功制备出直径800 μm-1 mm,长度可达100 mm的高质量Nd:YAG单晶光纤。通过激光测微仪表征,光纤直径波动小于5%,表面光滑,透明无包裹物。通过X射线劳埃背反衍射仪及He-Ne激光系统等测试,证明优化生长的单晶光纤具有较高的光学质量,为后期单晶光纤应用于高功率激光系统提供了坚实的材料基础。Ⅲ.YAG单晶光纤定向生长及核心缺陷研究利用微下拉法生长单晶光纤的优势,采用定向籽晶生长技术,以<111>定向籽晶、<100>偏<110>15°定向籽晶及<100>定向籽晶成功生长了不同取向的YAG单晶光纤。通过对其加工后进行光学质量表征,系统地研究了籽晶定向及生长界面对晶体核心的影响,优化生长出了高光学质量单晶光纤。在获得高质量单晶光纤的基础上,对单晶光纤特征性能进行了表征,主要有:单晶性测试、直径起伏测试、稀土离子分布测试、光学质量表征及光学损耗等。测试结果证明高长径比单晶光纤为完整的单晶;端面为规则的圆形;稀土掺杂离子在晶纤中分布均一,光学质量良好,光学损耗较低。这些表征共同支撑起高质量单晶光纤质量表征体系,也同样为后期晶体的激光应用提供了便利。Ⅳ.基于Nd:YAG单晶光纤器件性能研究通过选用高质量1at./%Nd:YAG单晶光纤,设计并加工了 Nd:YAG激光元件,与山东大学何京良教授课题组合作开展了 Nd:YAG在1064 nm处连续激光输出实验。通过对晶体质量筛选及激光系统优化,最终实现了 8.32 W连续激光输出,斜效率为45.5%。这也是国内首次报道在1 μm处实现YAG单晶光纤的连续激光输出。与国际现有研究结果相比,该元件不仅实现了接近国际最高的53%的输出效率,同时,其光束质量因子M2=1.13也优于相关Nd:YAG单晶光纤报道,证明了该元件可以兼顾高输出效率与高光束质量。是实现新型高功率、高效率、高损伤阈值的潜力材料。与国防科学技术大学合作开展了 Nd:YAG模块在皮秒激光放大器应用研究,通过对晶纤稀土离子掺杂浓度及晶纤长度参数进行优化,证明了 0.3at.%Nd:YAG单晶光纤优异的放大性能,其放大器输出功率可达2.2 W,放大倍率达到2.2倍,而通常体块晶体不超过1.5倍。此外,种子光光束质量在通过晶体放大后仍维持在较高的水平,晶体内部光学质量较好,并且较低的掺杂离子浓度使得放大系统更加稳定,没有出现很强的热效应。目前该类单晶光纤放大模块被法国Fibercryst公司垄断,国际相关单晶光纤放大研究多依赖于其Taranis系列商品,该模块价格昂贵,并且无法根据需求来设计模块产品。而本论文中报道了单晶光纤在皮秒激光放大器应用的研究、器件及性能测试,成功实现了高重频短脉宽皮秒激光放大研究,其2.2倍激光放大性能也达到国际先进水平。该项研究也填补了国内单晶光纤材料相关领域的空白,推动了国内单晶光纤自主研制和应用推广。其优异的器件性能表明,Nd:YAG单晶光纤材料在光纤放大器领域具有良好的应用潜力。Ⅴ.Er:YSGG单晶光纤生长及基本性能表征单晶光纤的优势之一是可以选用合适的基质材料进行多种稀土离子掺杂从而获得目标波段的激光输出,相比于传统玻璃光纤在中红外波段较大的损耗,Er:YSGG单晶光纤在中共外波段损耗较小,并具有低的声子能量、高的掺杂离子浓度、传输损耗低和大的长径比等特点,使得其成为实现中红外激光输出的合适基质材料。利用微下拉单晶生长技术首次生长了 30at.%Er:YSGG单晶光纤,直径2mm,长度可达80 mm,晶纤透过率较高。XRF测试其Er3+离子浓度为28%,计算出Er3+在YSGG晶纤中的分凝系数接近于1,有利于设计生长高长径比高质量单晶光纤。此外,通过对晶体生长气氛的选择以及生长速度的调控,系统研究并优化了晶体生长过程中Ga2O3挥发所引起的缺陷,提高了晶体质量。Er:YSGG有望成为单晶光纤在中红外波段探索拓展的潜力材料。Ⅵ.Er,Nd:YSGG单晶光纤生长及Nd3+对3.0 μm光谱性能影响研究根据对Er3+和Nd3+能级分析,设计生长了 Er,Nd:YSGG单晶光纤,以解决Er3+激光系统中极易发生的自终态效应及低的吸收效率等问题。生长不同掺杂浓度的晶纤,通过对吸收光谱,发射光谱,荧光寿命进行对比分析。系统研究了 Nd3+对Er:YSGG在3.0 μm波段光谱性能的影响。优化后的双掺晶纤,将其Er:YSGG下能级寿命从6.05 ms,降至0.384 ms和0.245 ms,大大减少下能级Er3+:4I13/2粒子数布局,从而有利于实现粒子数反转。Nd3+离子在共掺体系中表现为敏化效应和退激活效应,能有效提高晶纤对泵浦能量的吸收,并抑制Er3+激光在3.0μm激光运转中出现的自终止瓶颈。Nd3+离子的引入很大程度上改善了 Er:YSGG在3.0μm波段性能,Er,Nd:YSGG单晶光纤将在高功率中红外激光输出中发挥重要的作用。