光学青年| 刘兆军教授与晶体光纤激光技术研究，做核心材料和器件

原创张新蕾中国激光杂志社

本文为中国激光第1894篇。

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本期嘉宾：

刘兆军，山东大学信息科学与工程学院教授、博士生导师、副院长。主要研究领域为激光技术及应用、新型光电材料与器件。作为第一作者或通信作者发表SCI论文50余篇、受邀撰写综述性文章1篇，在国内外学术会议上做特邀报告12次，作为第一发明人获授权发明专利4项、实用新型专利4项，申请发明专利多项。近年来主持国家级项目2项、国家级重点项目3项、横向课题2项、国家自然科学基金3项、山东省重点研发计划项目1项。曾获2010年度全国优秀博士论文提名奖、2012年教育部优秀科研成果奖自然科学二等奖（第三位）。现任国家级项目、国家自然科学基金等项目的评审专家，中国激光杂志社青年编委。

晶体光纤简评

我和我的团队从2006年就开始关注晶体光纤及其潜在的应用价值。我们团队一直从事激光物理与技术、非线性光学频率变换技术等研究，早期主要关注激光技术本身，现在越来越意识到核心材料、核心器件的重要性，因此我们也在做一些材料方面的基础工作。

晶体光纤（Single crystal fiber，SCF）是“光纤”状的晶体，直径在0.1-1 mm之间、长度在几十毫米量级的细长棒状增益介质（有些情况下长度也可以达到米量级）。与目前市场上颇为流行的光子晶体光纤相比，晶体光纤是完全不同的概念，前者指的是通过微结构来调控电磁场的光纤，但其基本材质仍然是玻璃而非晶体。而晶体光纤能够结合光纤中的波导特性和传统棒状晶体两者的优点,具体表现如：

（1）很多特性优于石英玻璃光纤。例如：晶体的热导率、熔点、硬度、断裂强度、最高可掺杂浓度、非线性效应阈值分别是硅玻璃的10倍、2倍、2.7倍、3.8倍、10倍、100倍。

（2）泵浦光波导特性增加。与传统的棒状晶体激光相比，晶体光纤对泵浦光具有波导特性，可以在更长的尺度内吸收泵浦光，即泵浦光能够分布在更长的晶体长度内，因而可以采用较低掺杂浓度的晶体，极大降低热效应的不良影响，其激光增益、散热性能、光束质量等方面可比常规块状晶体有大幅度提升。

（3）抑制放大自发辐射。相对于玻璃光纤的双导引（泵浦光和信号光均为全反射），信号光在棒状晶体光纤中是自由传播的，具有较大发散角的ASE可以得到有效抑制，从而可以大大提升激光的对比度。

（4）无横模不稳定现象。目前常用的光子晶体光纤超快激光放大器，在高平均功率运转的时候很容易出现横模不稳定的现象，并且随着工作时间的增加，该阈值逐渐降低，在一定程度上限制了其高平均功率运转。而晶体光纤可以很好的解决这个问题。

SCF基本原理示意图

重点研究工作

2016年，我们课题组报道了基于Nd:YAG晶体光纤的单频脉冲激光放大器^[3]。去年在山东省重点研发计划项目的支持下，我们利用Yb:YAG晶体光纤和晶体细棒实现了平均功率大于70W的高效超快激光输出，预计近期将实现大于100W的超快激光输出。同时，课题组正进行晶体光纤模块封装工艺、新型泵浦技术方面的研究，希望能将Yb:YAG晶体光纤超快激光的平均输出功率提升至500W，在该功率范围内部分替代薄片激光器，并在超快激光加工制造方面开辟新的应用领域。

此外，课题组当前最重要的研究方向还有晶体衍生光纤的研制及相关激光光源。我们自研了高掺杂的Yb:YAG-silica增益光纤，基于该光纤实现了平均功率6W的1063nm连续激光输出^[2]，及平均功率110mW的单频激光输出^[1]。目前还在研究基于该光纤的高重频锁模激光技术。

我关注晶体光纤方面的研究已经十余年，认为晶体光纤是非常有前景的研究方向。我的课题组也在尽力向材料领域的专家学者们学习，想从光学的视角做些材料方面的研究工作，特别是性能指标的光学表征与材料研制过程的迭代，这是既充满挑战又富有价值的工作。

颠覆性突破

为了深入了解晶体光纤相关生长方法，除了关注公开报道的文献资料之外，我们与法国FiberCryst公司、美国Shasta Crystals公司、及Onyx公司的光学工程师进行了深入探讨，也和国内相关方向的团队保持紧密联系。

正是基于这些深入的交流，我们意识到微下拉法（micro-pulling down）、激光加热基座法（LHPG）、键合法（AFB）这三种方法都存在一些问题，至少，按照目前的工艺没有办法制备出真正的双包层晶体光纤，而双包层晶体光纤是从本质上提升光纤激光器功率极限的核心器件，是最具吸引力的研究方向。

鉴于此，我们与吉林大学秦冠仕教授团队开始合作探索棒管法（Rod-in-tube）工艺。虽然用我们的方法能够制作出带包层的长光纤，但晶体无法维持晶格结构，因而也不是真正意义上的晶体光纤。

所以，我们仍然在努力探索，也特别希望专家同行们早日研制出4C（Crystal-Cladding Crystal-Core）晶体光纤，这将成为材料方面的颠覆性突破，能够真正发挥晶体和光纤的结合优势，助力激光技术的进一步发展。

我们团队已经开始对增益型晶体衍生光纤的制备工艺和棒状晶体光纤的封装工艺进行研究。基于晶体光纤的超快激光技术来实现高重复频率、高平均功率、高峰值功率的超快激光输出，再结合激光技术方面的积累，我们接下来将开展激光制造研究平台和方向的建设。

共同进步

记得2008年刚参加工作不久，我报名参加了上海光机所和中国激光杂志社主办的光学系统设计培训班，在上海光机所进行了为期一周的学习。之后我就一直关注杂志社的各类活动。

刘兆军教授（后排中间）参加培训班答疑

中国激光杂志社青年编委是极具影响力且非常活跃的一个团体，我特别荣幸能够加入到这个大集体，也非常感谢各位同行和中国激光杂志社的信任。衷心希望能与国内外从事激光增益材料、超快激光技术、激光制造技术等方面研究工作的团队建立合作关系，共同探讨、共同进步。

代表性论文:

[1] Zhaojun Liu, Yongyao Xie, Zhenhua Cong*, Zhigang Zhao, Zhixu Jia, Chengzhi Li, Guanshi Qin, Shang Wang, Xibao Gao, Xianbin Shao, Xingyu Zhang, “110 mW single-frequency Yb:YAG crystal-derived silica fiber laser at 1064 nm,” Optics Letters, 2019, 44(17): 4307-431.

[2] Yongyao Xie, Zhaojun Liu*, Zhenhua Cong, Zengguang Qin, Shang Wang, Zhixu Jia, Chengzhi Li, Guanshi Qin, Xibao Gao, Xingyu Zhang, “All-fiber-integra ted Yb:YAG-derived silica fiber laser generating 6 W output power,” Optics Express, 2019, 27(3): 3791-3798.

[3] Zhaojun Liu, Shaojie Men, Yang Liu, Zhenhua Cong, Houwen Yang, Wenyong Cheng, Han Rao, Jianren Lu, Xingyu Zhang*, “Single frequency MOPA based on Nd: YAG single crystal fiber and rods,” Optics Letters, 2016, 41(7): 1356-1359.

[4] Wei Tan, Zhaojun Liu*, Zhenhua Cong, Zhigang Zhao, Zengguang Qin, Xiaohan Chen, Zhongming Yang, Han Rao, Enbang Zhao, Sasa Zhang, and Xingyu Zhang, “4.4 W, Continuous-Wave, Narrow Linewidth Optical Parametric Oscillator at 3.77 um,” IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(14): 1131-1134.

[5] Shaojie Men, Zhaojun Liu*, Zhenhua Cong, Yang Liu, Jinbao Xia, Sasa Zhang, Wenyong Cheng, Yongfu Li, Chaoyang Tu, Xingyu Zhang, “Single-frequency CaWO₄ Raman amplifier at 1178 nm,” Optics Letters, 2015, 40(4): 530-533.