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AM易道导语
昨天的文章分享了用SLA3D打印技术生产光学镜片已经足够惊艳：
光学巨头愕然：仅花60元，用3D打印造显微镜
今天这篇文章是激光烧结3D打印生产光纤！
请读者猜猜，本文披露的技术是什么样的激光烧结3D打印可以生产光纤？
激光送丝？粉末床激光烧结？激光送粉？
让我们带着一探究竟。
2025年伊始，一项来自华南师范大学的研究成果在国际期刊《Ceramics International》上发表，引发关注。![]()
华南师范的光电科学与工程学院的研究团队成功将激光增材制造技术应用于掺钕光纤光纤预制棒的生产，突破了传统光纤制造工艺的诸多限制。这项创新展示了增材制造在高端光电器件领域的巨大潜力。在光通信和激光器领域，掺钕硅光纤（NDF）因其优异的性能一直备受青睐。这种特殊的光纤将硅玻璃的出色热力学性能与钕离子的独特能级结构完美结合，在通信、生物医疗、军事装备和高功率激光器等领域具有不可替代的地位。然而，传统的制备工艺如化学气相沉积（MCVD）面临着严峻挑战。当掺杂浓度超过1000ppm时，钕离子容易发生团聚，导致光学性能急剧下降。这一技术瓶颈严重制约了高性能光纤的发展。面对这一难题，研究团队开发出一套新的激光粉末烧结系统。![]()
如图1所示，这套系统的核心是一个精密的激光增材制造装置，其独特之处在于将传统的"自上而下"的制造方式转变为"自下而上"的增材制造过程。SiO₂（纯度>99.0%）、Al₂O₃（纯度>99.0%）和Nd₂O₃（纯度>99.99%）。这些原料按照精确的质量比94.23:4.95:0.82进行配制，经过三维混料器充分混合后进入制造系统。在工艺控制方面，系统采用多个CO₂激光器作为热源，能够将原料直接加热至2000℃以上的高温。这个温度点的选择极其关键：它不仅要确保材料充分熔融，还要避免重要元素的挥发损失。特别值得一提的是，团队开发的同轴送粉系统可以实现0.6g/min的精确供粉速率，这种精确的材料输送机制确保了成分的均匀性和工艺的稳定性。所以回到一开始的问题，光纤使用激光送粉的3D打印技术完成的。在生长过程控制方面，随着石英主棒的匀速旋转下降，掺杂玻璃以约0.25cm³/min的速度稳定生长。整个过程中，温度场分布、材料输送和机械运动都需要精确协同，任何参数的偏差都可能影响最终产品质量。在材料反应动力学方面，系统需要严格控制Al₂O₃、AlF₃和Al(PO₃)₃等化合物在高温下的行为。以Al(PO₃)₃为例，它在500℃左右就开始分解，到1537℃完全熔融，最终在1800℃以上转化为Al₂O₃。这种复杂的相变过程直接影响着产品的掺杂均匀性和光学性能。最后，在光纤预制棒排列和拉丝过程中，成功制备出芯包比为20/125μm的光纤！为验证光纤的性能，研究团队构建了一套精密的实验装置。![]()
如图2所示，研究团队设计了一套巧妙的光纤激光系统来测试制备的光纤性能。
这个系统的工作原理可以这样理解：想象一个强光手电筒（这里用的是波长793纳米的激光二极管）作为能量输入源，这束光通过一个特殊的光学元件（称为2+1组合器）输入到光纤中，这个过程就像把粗水管的水流引入细水管一样，需要精确控制。
在这里，光纤的结构就像一根特殊的吸管，中心（也就是纤芯）直径是20微米，外层（包层）直径是125微米。
有趣的是，团队巧妙地利用了光在光纤端面自然产生的反射（专业上称为菲涅尔反射，大约会反射4%的光）。这种反射效果就像在光纤两端各放了一面小镜子，让光线在内部来回反射，形成了一个天然的激光器结构。
最后，通过一个特殊的光学过滤器（长通滤波器），可以将有用的激光信号和未被利用的泵浦光分开，就像用筛子把大小不同的沙子分开一样。
这种设计不仅简化了系统结构，还确保了测试结果的准确性。
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如图3所示，抛光后的Nd/Al共掺玻璃片和玻璃棒表面光洁如镜，无任何气泡和条纹缺陷。![]()
更重要的是，电子探针扫描结果显示，Nd³⁺和Al³⁺在玻璃中分布极其均匀，这对提升光纤的性能至关重要。
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如图8所示，光纤呈现出明显的蓝色上转换发光现象，这源于⁴G₉/₂→⁴I₉/₂能级跃迁。更值得关注的是，光纤内部发光均匀，无任何明显断裂，证实了激光粉末烧结法在制备高质量掺钕硅玻璃方面的可行性。在材料表征方面，X射线衍射图谱（图4）显示样品呈现典型的非晶态特征，证实制备过程中未出现晶化现象。![]()
能谱分析（图5、6）进一步确认了材料的元素组成和掺杂浓度，Nd³⁺离子的实际掺杂浓度达到0.68wt%，优于传统工艺。说到传统工艺的极限，我们需要先理解MCVD这种改进化学气相沉积工艺。当使用MCVD工艺制备掺钕光纤时，存在一个明显的瓶颈：一旦Nd³⁺离子的掺杂浓度超过千分之一（约0.1%），钕离子就会开始聚集在一起，导致光纤性能急剧下降。而现在这项新技术突破性地达到了0.68%的掺杂浓度，并且保持了良好的均匀性，这是一个重要突破。![]()
光谱测试结果（图7）显示，材料具有465微秒的超长荧光寿命和2.88pm²的大发射截面，这些优异指标为高性能光纤激光器的实现奠定了基础。![]()
透射损耗测试（图9）和激光输出特性（图10）进一步证实了这种光纤在实际应用中的潜力。![]()
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第一是其精确的热场控制能力，CO₂激光器产生的高温能够使SiO₂网络结构部分解体，为Nd³⁺离子的均匀掺入创造条件。同时，Al₂O₃的添加能够调节网络结构，防止Nd³⁺离子的团聚。在材料行为方面，高温下的元素迁移和反应过程也极为关键。当温度超过2000℃时，AlF₃会与SiO₂发生反应：3SiO₂ + 4AlF₃ → 3SiF₄ + 2Al₂O₃产生容易挥发的SiF₄气体本来会带来三个麻烦：材料成分会流失、可能形成气泡、还会破坏材料的均匀性。不过，研究团队通过精确控制激光功率和温度分布，巧妙地利用了这个反应过程。他们发现，适度的反应实际上有助于调节玻璃的内部结构，反而提高了钕离子的分散程度，使它们更均匀地分布在玻璃中。AM易道认为，这项研究的重要性远超出光纤制造本身。它展示了增材制造在高端制造领域的巨大潜力：
这项技术突破了传统光纤制造工艺的局限，为大尺寸、高掺杂浓度特种光纤的制备提供了新途径。这对于高功率光纤激光器的发展具有重要意义。另外说到成本和工艺优势，这项新技术带来了改进。在设备投入上，无需采购昂贵的气相沉积系统，只需要激光送粉系统就可以完成生产。工艺过程变得更加灵活，可以根据需要随时调整材料配比，适合进行小批量的定制化生产。总之激光增材制造在光纤预制棒制备中的成功应用，为该技术在其他精密光学器件制造中的推广提供了宝贵经验。掺钕光纤凭借其独特的光学特性，已经成为现代高科技领域不可或缺的关键组件。这种特种光纤通过钕离子的能级跃迁可以产生1060纳米、900纳米和1350纳米等多个波长的激光输出，这些不同波长的激光在各个领域都发挥着重要作用。从通信领域的光纤放大器和远程传输系统，到生物医疗中的精密激光手术和医学成像；从工业制造中的高功率激光切割、焊接设备，到军事领域的激光制导和高能武器系统；从环境监测的大气探测设备，到科研领域的精密光学仪器，掺钕光纤的应用可谓无处不在。当激光增材制造掺钕光纤可行，一个充满想象力的宏大新世界正在开启。增材制造正在突破传统认知的边界，向着更精密、更专业的领域扩展。未来，我们或许会看到更多令人惊叹的创新成果从各个方向涌现。AM易道将持续关注。
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1. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.01.243
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