单晶光纤生长技术研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0074

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (7): 983-1004.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0074

单晶光纤生长技术研究

王正敏¹(), 王涛¹(), 张洋², 张健¹^,³(), 陶绪堂¹, 贾志泰¹^,⁴()

^1.山东大学晶体材料全国重点实验室，晶体材料研究院，新一代半导体材料研究院，济南 250100
^2.中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024
^3.江苏晶英光电科技有限公司，徐州 221116
^4.山东省工业技术研究院，济南 250100

收稿日期:2026-04-25 出版日期:2026-07-20 发布日期:2026-08-04
通信作者: 王涛，博士，副研究员。E-mail：t.wang@sdu.edu.cn；
张健，博士，教授。E-mail：jian.zhang@sdu.edu.cn；
贾志泰，博士，教授。E-mail：z.jia@sdu.edu.cn
作者简介:王正敏（2001—），男，山东省人，博士研究生。E-mail：mzhengwang@163.com
王涛，博士，副研究员，山东大学副研究员，青年学者未来计划。主要从事特种单晶光纤材料设计、制备及器件应用研究。承担国家自然科学基金、JKW领域基金、工业和信息化部高质量专项、新材料重大专项等项目/课题，以第一/通信作者在Adv Funct Mater、Chem Een J、Cryst Growth Des等期刊发表论文20余篇，获授权发明专利6项，曾获中国山东博士后创新创业大赛金奖。
张健，博士，教授，山东大学教授、博士生导师。2014年毕业于德国拜罗伊特大学物理系，获物理学博士学位，2015年起进入山东大学晶体材料研究院工作。主要从事晶体结构解析，单晶光纤生长技术及基于同步辐射X射线衍射技术的晶体结构与相变研究。承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部联合基金等项目十余项，以第一作者和通信作者发表论文30余篇，授权发明专利15项。
贾志泰，博士，教授、博士生导师、山东省泰山学者青年专家、山东大学齐鲁青年学者，现任晶体材料国家重点实验室主任助理、新一代半导体材料研究院副院长，《人工晶体学报》编委。主要从事人工晶体的生长及性能研究：采用提拉法、导模法、微下拉法及激光加热基座法等技术，开展激光晶体（大口径体块晶体及单晶光纤）、氧化物半导体晶体、磁光晶体等功能晶体的设计与生长。主持和参加了国家重点研发计划、教育部联合基金、863、973、国家自然基金委仪器专项、山东省重点研发计划、山东省科技发展计划等。在Crystal Growth & Design、CrystEngComm、Journal of Crystal Growth等晶体材料领域权威期刊发表SCI论文90余篇，获授权发明专利10余项。
基金资助:
国家重点研发计划(2023YFB4606900);国家重点研发计划(2025YFE0205000);新材料重大专项项目(2025ZD0617200);国家自然科学基金(U24A20312);国家自然科学基金(62435012)

Growth Technology of Single-Crystal Fibers

WANG Zhengmin¹(), WANG Tao¹(), ZHANG Yang², ZHANG Jian¹^,³(), TAO Xutang¹, JIA Zhitai¹^,⁴()

^1.Institute of Novel Semiconductors，Institute of Crystal Materials，State Key Laboratory of Crystal Materials，Shandong University，Jinan 250100，China
^2.China Building Materials Academy Co.，Ltd.，Beijing 100024，China
^3.Jiangsu Jingying Optoelectronics Technology Co.，Ltd.，Xuzhou 221116，China
^4.Shandong Research Institute of Industrial Technology，Jinan 250100，China

Received:2026-04-25 Online:2026-07-20 Published:2026-08-04

摘要/Abstract

摘要： 单晶光纤作为一种兼具晶体优异物理化学性能与光纤高比表面积、光波导特性的准一维材料，在高功率激光、中红外激光、辐射探测及高温传感等领域展现出广阔的应用前景。本文系统综述了导模法、微下拉法、激光加热基座法及其他新型生长技术的原理、技术特点与研究进展。导模法可实现高通量百根光纤同步生长；微下拉法已拓展至共晶、金属及弹簧状异形晶体；激光加热基座法成功制备了长度超50 m、直径仅16 μm的超细单晶光纤；甚多微孔坩埚法实现了氟化物光纤的高通量制备；水溶液法则为有机及热敏单晶光纤提供了低温生长路径等。最后总结了各方法的技术挑战与发展方向，为单晶光纤的制备与应用提供参考。

关键词: 单晶光纤; 导模法; 微下拉法; 激光加热基座法; 晶体生长

Abstract: As a quasi-one-dimensional material that combines the excellent physical and chemical properties of crystals with the high specific surface area and optical waveguide characteristics of optical fibers， single-crystal fibers hold broad application prospects in fields such as high-power lasers， mid-infrared lasers， radiation detection， and high-temperature sensing. This paper provides a systematic review of the principles， technical characteristics， and research progress of the edge-defined film-fed growth method， the micro-pull-down method， the laser-heated pedestal growth method， and other novel growth techniques. The edge-defined film-fed growth method enables the high-throughput simultaneous growth of hundreds of optical fibers； the micro-pull-down method has been extended to eutectic， metallic， and spring-shaped irregular crystals； the laser-heated pedestal growth method has successfully produced ultra-fine single-crystal optical fibers over 50 m long with a diameter of only 16 μm； the multi-microchannel crucible method has enabled high-throughput fabrication of fluoride optical fibers； the aqueous solution method， meanwhile， provides a low-temperature growth pathway for organic and thermosensitive single-crystal optical fibers， among other applications. Finally， it summarizes the technical challenges and future directions for each method， offering a reference for the preparation and application of single-crystal fibers.

Key words: single-crystal fiber; edge-defined film-fed growth method; micro-pulling-down method; laser-heated pedestal growth method; crystal growth

中图分类号:

王正敏, 王涛, 张洋, 张健, 陶绪堂, 贾志泰. 单晶光纤生长技术研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(7): 983-1004.

WANG Zhengmin, WANG Tao, ZHANG Yang, ZHANG Jian, TAO Xutang, JIA Zhitai. Growth Technology of Single-Crystal Fibers[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(7): 983-1004.

图/表 24

图1 （a） EFG法晶体生长原理；（b）采用EFG法高通量制备的蓝宝石单晶光纤及异形结构蓝宝石单晶光纤［10?11］

Fig.1 （a） Schematic of EFG method crystal growth；（b） high-throughput growth of sapphire SCFs and shaped sapphire SCFs by EFG method［10?11］

图2 （a）开发的太赫兹扫描探针近场显微镜［13］；（b）一系列不同尖端形状（锥形、半球形、抛物线形等）的蓝宝石毛细针使组织暴露于激光辐射的方案［11］

Fig.2 （a） Developed THz scanning-probe near-field microscope［13］；（b） a scheme in which tissue is exposed to laser radiation using a series of sapphire micro-needles with different tip shapes （conical， hemispherical， parabolic， etc.）［11］

图3 EFG法生长的蓝宝石单晶光纤照片［15］

Fig.3 Images of the sapphire single-crystal fibers grown by EFG method［15］

图4 μ-PD法单晶生长原理图［17］

Fig.4 Schematic diagram of a μ-PD method for single-crystal growth［17］

图5 适用μ-PD法的各种规格坩埚［25］

Fig.5 Crucibles of various sizes for the μ-PD method［25］

图6 μ-PD法生长的典型氧化物单晶光纤照片［32?39］

Fig.6 Photograph of the typical oxide single-crystal fibers grown by the μ-PD method［32?39］

图7 μ-PD法生长的典型氟化物单晶光纤照片［41?44］

Fig.7 Photograph of the typical fluoride single-crystal fibers grown by the μ-PD method［41?44］

图8 μ?PD法生长的典型共晶晶体照片［45?47］

Fig.8 Photograph of the typical eutectic crystal fibers grown by the μ-PD method［45?47］

图9 μ?PD法生长的典型金属与合金晶体照片［24，48?50］

Fig.9 Photograph of the typical metal and alloy crystals fibers grown by the μ-PD method［24，48?50］

图10 异形晶体生长［53］。（a）锥形模具；（b）倒锥形模具；（c）弹簧状蓝宝石单晶

Fig.10 Growth of atypical crystals［53］. （a） A conical die；（b） an inverted conical die；（c） spring-shaped sapphire single-crystals

图11 LHPG法晶体生长设备示意图［54］

Fig.11 Schematic of a LHPG method crystal growth apparatus［54］

图12 AI辅助图像识别的LHPG生长系统与算法流程图［59］

Fig.12 LHPG growth system and algorithm flowchart for AI-assisted image recognition［59］

图13 机器学习优化PID参数反馈调控LHPG晶体生长［60］。（a）LHPG直径监测示意图；（b）机器学习模型训练与PID参数优化流程；（c）机器学习预测PID系数结果

Fig.13 Machine learning-based optimization of PID parameters for feedback control of LHPG crystal growth［60］. （a） Schematic of the LHPG growth system and diameter monitoring setup；（b） workflow of machine learning model training and PID parameter optimization；（c） machine learning prediction results of PID coefficients

图14 LHPG系统温度梯度优化方案［61?64］。（a）铂-铑电阻后热器；（b）光学后热器；（c）高斯反射镜替换锥面反射镜模块；（d）焦点处产生可控光学相差

Fig.14 LHPG system temperature gradient optimization scheme［61?64］. （a） Platinum-rhodium resistance rear heater；（b） optical rear heater；（c） Gaussian mirror replacing the conical mirror module；（d） generating controllable optical phase differences at the focal point

图15 （a）掺杂单晶光纤不同拉速光纤内部离子浓度分布［67］；（b）复合工艺单晶光纤内部离子浓度分布［68］

Fig.15 （a） Distribution of ion concentrations inside doped single-crystal fibers at different drawing rates［67］；（b） distribution of ion concentrations inside single-crystal fibers produced by the composite process［68］

图16 （a）梯度掺杂Nd∶YAG单晶光纤的生长原理示意图（左）及激光性能曲线（右）［69］；（b）LuAG∶Ce-LuAG分段结构闪烁单晶光纤的生长原理示意图（左）及单晶光纤示意图（右）［70］

Fig.16 （a） Schematic diagram of the growth principle of gradient-doped Nd∶YAG single-crystal fibers （left） and laser performance curves （right）［69］；（b） schematic diagram of the growth principle of LuAG∶Ce-LuAG segmented-structure single-crystal fibers （left） and schematic diagram of the single-crystal fiber （right）［70］

图17 （a）山东大学设计制作的特定组分分布的类键合YAG/Yb∶YAG/YAG单晶光纤的生长原理示意图［71］；（b）单晶光纤示意图［71］；（c）激光性能曲线［71］

Fig.17 （a） Schematic diagram of the growth principle of the YAG/Yb∶YAG/YAG single-crystal fibers with specific composition distribution designed and fabricated by Shandong University［71］；（b） schematic diagram of the single-crystal fibers［71］；（c） laser performance curves［71］

图18 LHPG法制备大长径比单晶光纤的代表性成果［72?78］

Fig.18 Single-crystal fibers with a high aspect ratio fabricated by the LHPG method［72?78］

图19 （a）中国科学院上海硅酸盐研究所生长的高长径比蓝宝石光纤［79］；（b）山东大学生长的超细蓝宝石单晶光纤［80］

Fig.19 （a） High-aspect-ratio sapphire fibers grown at Shanghai Institute of Ceramics， Chinese Academy of Sciences［79］；（b） ultra-fine sapphire single-crystal fibers grown at Shandong University［80］

表1 主流单晶光纤生长技术综合对比分析

Table 1 Horizontal comparison of mainstream single-crystal fibers growth technologies

生长方法	导模（EFG）法	微下拉（μ-PD）法	激光加热基座（LHPG）法
核心技术原理	利用模具毛细通道将熔体从坩埚输运至生长界面，模具顶端形状限定晶体截面，籽晶向上提拉结晶	利用坩埚底部微孔道约束和导引熔体，籽晶沿重力方向向下牵引进行晶体生长	利用激光直接加热原料棒顶端形成熔区，熔体由表面张力维持悬浮，籽晶向上提拉生长
加热方式	感应加热/电阻加热	感应加热/电阻加热	CO₂激光加热
是否需要坩埚/模具	需要	需要	无需坩埚（可避免污染）
加热温度范围	常规（受坩埚熔点限制）	常规（受坩埚材料限制）	超高（>3 000 ℃）
温度梯度	中等	较大（强轴向温度梯度）	极大（>4 000 K/cm）
典型生长速率	慢	慢	快
典型光纤直径	400～1 000 μm	常见0.8～1 mm	可小于100 μm
典型长度	数百毫米	数百毫米	可达数米甚至大于50 m
高通量能力	高（可同步生长百根）	高（多通道坩埚设计）	低（单根生长）
适用材料体系	蓝宝石（α-Al₂O₃）等特定熔体黏度材料	极广（氧化物、氟化物、共晶、半导体、金属等）	极为广泛，尤其适用于超高熔点材料
主要优势	高通量生长、近器件尺寸、截面形状精确可控、适合工业化生产	原料利用率高、掺杂均匀性好、无位错生长、截面可控、生长周期短	无坩埚污染、可生长超高熔点材料、温度梯度大、可制备超细柔性光纤
主要局限	坩埚/模具可能引入污染；材料适用范围受限	极高熔点材料易导致坩埚损耗；对熔体润湿性要求高	单根生长、效率低；热应力极大，晶体易开裂；熔区极易受环境扰动

图20 采用“甚多微孔坩埚法”同一炉次高通量制备的?0.9 mm和?1.9 mm Tm3+∶SrF2单晶光纤（a），?1.9 mm Er3+∶SrF2单晶光纤（b）及?1.9 mm Tm3+∶CaF2单晶光纤（c）［81?83］

Fig.20 Utilizing the high-throughput “multi-microchannel crucible method” the following single-crystal fibers were fabricated in a single furnace run Tm3+∶SrF2 fibers with diameters of 0.9 and 1.9 mm （a）， Er3+∶SrF2 fibers with a diameter of 1.9 mm （b）， and Tm3+∶CaF2 fibers with a diameter of 1.9 mm （c）［81?83］

图21 冰单晶光纤制备示意图［84］

Fig.21 Schematic diagram of IMF fabrication［84］

图22 单晶有机金属钙钛矿光纤制备方法的示意图［85］

Fig.22 Schematic diagram of the single-crystal organometallic perovskite optical fiber fabrication method［85］

图23 （a）KDP单晶光纤［86］；（b）TppI单晶光纤［87］

Fig.23 （a） KDP single-crystal fiber［86］；（b） TppI single-crystal fiber［87］

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单晶光纤生长技术研究

Growth Technology of Single-Crystal Fibers

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