CN101799572A - 一种钛宝石光子晶体光纤及其制备方法 - Google Patents

一种钛宝石光子晶体光纤及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛宝石光子晶体光纤及其制备方法，制备方法工艺步骤包括：将空芯光子晶体光纤、Ti源和Al源放入真空气氛的真空管内；向真空管内通入惰性气体并对真空管加热；向真空管内通入O2，并保温反应；停止通入O2，向真空管内通入惰性气体并升温进行高温固化结晶；停止通入惰性气体，向真空管内通入H2，降温得成品，以及，利用该方法制备而成的钛宝石光子晶体光纤。本发明方法工艺简单、成本低，便于工业化生产，且生产出的产品稳定性高，其制备的成品光吸收带宽和光发射带宽，抗拉强度、灵敏度、准确性和可靠性能优越。

Description

一种钛宝石光子晶体光纤及其制备方法
技术领域
本发明属于钛宝石光子晶体光纤技术领域，具体的说是涉及一种钛宝石光子晶体光纤及其制备方法。
背景技术
目前市场上已有钛光纤和蓝宝石光纤。这些钛光纤是在光纤的外表层涂上一层二氧化钛。由于掺杂二氧化钛的硅材料相对纯硅具有不同的热膨胀系数，拉丝后靠表面张力的作用，涂钛光纤将会改善光纤的微裂纹，从而提高抗拉强度。蓝宝石单晶光纤具有特殊的光学、物理性能，适用于高温环境，用作光纤传感器时具有更高的灵敏度、准确性和可靠性。但蓝宝石光纤没有掺钛，而市场上的钛光纤掺的是二氧化钛，而不是三价的Ti离子，因此不具备钛宝石的特性，无法在此基础上制作可调谐光纤激光器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种制备方法工艺简单、成本低，便于工业化生产，具有广阔的生产应用前景的钛宝石光子晶体光纤制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种利用钛宝石光子晶体光纤制备方法而制备的钛宝石光子晶体光纤，该钛宝石光子晶体光纤拓宽了其光吸收带宽和光发射带宽，改善了光纤的微裂纹，提高了其抗拉强度、灵敏度、准确性和可靠性能。
本发明实现上述技术效果所采取的技术方案是：
一种钛宝石光子晶体光纤制备方法，包括如下工艺步骤：
1)将空芯光子晶体光纤、Ti源和Al源放入真空气氛的真空管内；
2)向真空管内通入惰性气体并对真空管加热；
3)向真空管内通入O2，并保温反应；
4)停止通入O2，然后再次向真空管内通入惰性气体并升温进行高温固化结晶；
5)停止通入惰性气体，向真空管内通入H2，降温得成品。
以及，一种钛宝石光子晶体光纤，该钛宝石光子晶体光纤是利用上述方法制备而成。
在上述本发明的钛宝石光子晶体光纤制备方法中，只需调控温度和反应体系环境及反应物的通入量，就可以使得本发明顺利进行并得到产物，因此本发明方法工艺简单、成本低，便于工业化生产，且生产出的产品稳定性高，具有广阔的生产应用前景。与此同时，在惰性气体保护下通入氧气进行氧化反应后，在进行高温固化结晶，使得光子晶体光纤纤芯壁沉淀一层稳固的Ti3+:Al2O3增益介质，从而扩宽了该光子晶体光纤的光吸收带宽和光发射带宽，改善了光纤的微裂纹，提高了其抗拉强度、灵敏度、准确性和可靠性能。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发发明实施例提供一种钛宝石光子晶体光纤制备方法，包括如下工艺步骤：
1)将空芯光子晶体光纤、Ti源和Al源放入真空气氛的真空管内；
2)向真空管内通入惰性气体并对真空管加热；
3)向真空管内通入O2，并保温反应；
4)停止通入O2，然后再次向真空管内通入惰性气体并升温进行高温固化结晶；
5)停止通入惰性气体，向真空管内通入H2，降温得成品。
上述本发明实施例步骤1)中Ti源和Al源的摩尔比为1∶110-180，优选1∶141，Ti源和Al源总的用量可以根据对钛晶体光纤的实际需求而灵活调整，其用量越大，其最终生成的Ti3+:Al2O3增益介质也就越厚，相反用量越少，Ti3+:Al2O3增益介质也就越薄，因此，为了保证钛晶体光纤的生成，Ti源和Al源总的用量为Ti、Al元素总摩尔比与空芯光子晶体光纤单位长度(cm)比值0.001-0.01∶5-10(mol/cm)。其中，空芯光子晶体光纤从市场上购买而得，其长度可以根据实验或生产条件而任意选取；Ti源可以是Ti的有机物也可以是Ti的无机物，优选为Ti的有机化合物，该Ti的有机化合物优选为双(环戊二烯基)二甲基钛、氯化二茂基钛、乙酰丙酮氧化钛、乙酰丙酮，更优选为乙酰丙酮氧化钛，Ti的无机物是本技术领域常用的无机物，如Ti的氯盐、Ti的氧化物；Al源优选为Al的有机化合物，该Al的有机化合物优选为三烷基铝、二烷基氯化铝、一烷基二氯化铝、三烷基三氯化二铝、乙酰丙酮铝，更优选为乙酰丙酮铝，Al的无机物是本技术领域常用的无机物，如Al的氯盐、Al的氧化物。该Ti源和Al源进入空芯光子晶体光纤纤芯后，在惰性气体保护下通入氧气进行氧化反应后，并沉积在光纤纤芯壁上，然后进行高温固化结晶，使得光子晶体光纤纤芯壁沉淀一层稳固的Ti3+:Al2O3增益介质。
上述的将真空管内设置成真空气氛是为了保证真空管内处于真空状态，使Ti源和Al源的整个淀积过程是在后续的高温低压下完成。
上述实施例步骤2)中开始通入的惰性气体流量是100sccm～400sccm，优选200sccm，该惰性气体优选为N2或Ar，通入惰性气体的目的是为了进一步保证真空管内的弱氧化气氛，通入惰性气体应持续至高温固化结晶完成之后。
上述的对真空管加热后的温度为500～1800℃，在此加热过程中，光子晶体光纤在反应槽中完全受热，并且Ti源和Al源随高温发生分解反应，当通入氧气后，Ti源和Al源在氧气的氧化下形成Ti3+:Al2O3增益介质。
上述实施例步骤3)中O2占惰性气体的摩尔比1～6％，通入O2过程中同时进行保温反应，该保温反应是将真空管的温度控制在500～1800℃下，并维持30～100min让氧气与汽化的Ti源和Al源发生氧化反应。
上述步骤4)中高温固化结晶的温度为800℃～2000℃，优选为1000℃，该高温固化结晶是为了防止在弱氧化环境中生成的Ti3+进一步氧化生成Ti4+，从而保证了本发明实施例的钛宝石光子晶体光纤各项优良性能。
上述实施例步骤5)中H2应足量，其流量是100～300sccm，直至真空管冷却再停止通入H2。通入H2的目的是由于在被氧化环境和高温固化结晶过程中，无法百分百的保证Ti源被氧化成Ti3+，有很少部分Ti源会被氧化成Ti4+，而生长中产生的Ti4+的将导致晶体在近红外波段的发生自吸收不良现象，从而导致本实施例发明钛晶体光纤使品质因数FOM值降低，因此，在高温下通入H2是为了将生成的Ti4+离子还原为Ti3+，从而使对红外波段的残余吸收大大降低，提高本实施例发明晶体光纤的FOM值。
在上述本发明的钛宝石光子晶体光纤制备方法中，在惰性气体保护下通入氧气进行氧化反应后，在进行高温固化结晶，使得光子晶体光纤纤芯壁沉淀一层稳固的Ti3+:Al2O3增益介质，与此同时，只需调控温度和反应体系环境及反应物的通入量，就可以使得本发明顺利进行并得到产物，因此本发明方法工艺简单、成本低，便于工业化生产，且生产出的产品稳定性高，具有广阔的生产应用前景。
进一步，本发明实施例提供一种钛宝石光子晶体光纤，该钛宝石光子晶体光纤是利用上述方法制备而成。该钛宝石光子晶体光纤纤芯壁沉淀一层稳固的Ti3+:Al2O3增益介质，从而扩宽了该光子晶体光纤的光吸收带宽和光发射带宽，改善了光纤的微裂纹，提高了其抗拉强度、灵敏度、准确性和可靠性能。
现结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
钛宝石光子晶体光纤制备方法如下：
第一步：将5cm空芯光子晶体光纤放在真空气氛高温炉真空管内的高温区(管的中心)，将Ti、Al两元素总物质的量为0.001mol的Ti有机化合物双(环戊二烯基)二甲基钛和Al有机化合物三烷基铝10％+三烷基三氯化二铝90％按摩尔比为1∶141的混合物放在真空气氛高温炉真空管内的低温区(管的两端)，并对真空管抽真空，使得真空管内处于真空气氛；
第二步：先向真空管内通入200sccm流量的Ar，在保护气氛中将真空管升高温度至650℃。
第三步：真空管内温度保持600℃，并向其中通入占惰性气体的摩尔比5％的O2，将Ti源和Al源氧化成Ti:Al2O3；
第四步：停止通入O2，在Ar气氛下，将真空管内温度升至1000℃，进行高温固化结晶；
第五步：停止通入Ar，向真空管内通入H2，H2气氛下降温至室温得钛宝石光子晶体光纤。
实施例2
钛宝石光子晶体光纤制备方法如下：
第一步：将10cm空芯光子晶体光纤放在真空气氛高温炉真空管内的高温区(管的中心)，将Ti、Al两元素总物质的量为0.01mol的Ti的有机化合物乙酰丙酮氧化钛40％+乙酰丙酮钛60％的和Al的有机化合物乙酰丙酮铝按摩尔比为1∶110的混合物？放在真空气氛高温炉真空管内的低温区(管的两端)，并对真空管抽真空，使得真空管内处于真空气氛；
第二步：先向真空管内通入100sccm流量的N2，在保护气氛中将真空管升高温度至500℃。
第三步：真空管内温度保持500℃，并向其中通入占惰性气体的摩尔比4％的O2，将Ti源和Al源氧化成Ti:Al2O3；
第四步：停止通入O2，在N2气氛下，将真空管内温度升至800℃，进行高温固化结晶；
第五步：停止足量的通入N2，向真空管内通入H2，H2气氛下降温至室温得钛宝石光子晶体光纤。
实施例3
钛宝石光子晶体光纤制备方法如下：
第一步：将7cm空芯光子晶体光纤放在真空气氛高温炉真空管内的高温区(管的中心)，将Ti、Al两元素总物质的量为0.008mol的Ti的无机物TiO和Al的无机物AlCl3物按摩尔比为1∶180的混合物放在真空气氛高温炉真空管内的低温区(管的两端)，并对真空管抽真空，使得真空管内处于真空气氛；
第二步：先向真空管内通入400sccm流量的He，在保护气氛中将真空管升高温度至1800℃。
第三步：真空管内温度保持1800℃，并向其中通入占惰性气体的摩尔比4％的O2，将Ti源和Al源氧化成Ti:Al2O3；
第四步：停止通入O2，在He气氛下，将真空管内温度升至2000℃，进行高温固化结晶；
第五步：停止足量的通入He，向真空管内通入H2，H2气氛下降温至室温得钛宝石光子晶体光纤。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钛宝石光子晶体光纤制备方法，包括如下工艺步骤：
1)将空芯光子晶体光纤、Ti源和Al源放入真空气氛的真空管内；
2)向真空管内通入惰性气体并对真空管加热；
3)向真空管内通入O2，并保温反应；
4)停止通入O2，然后再次向真空管内通入惰性气体并升温进行高温固化结晶；
5)停止通入惰性气体，向真空管内通入H2，降温得成品。
2.根据权利要求1所述的钛宝石光子晶体光纤制备方法，其特征在于：所述的Ti源和Al源的摩尔比为1∶110～180。
3.根据权利要求1所述的钛宝石光子晶体光纤制备方法，其特征在于：所述的Ti源是Ti的有机化合物；所述的Al源是Al的有机化合物。
4.根据权利要求3所述的钛宝石光子晶体光纤制备方法，其特征在于：
所述的Ti的有机化合物是双(环戊二烯基)二甲基钛、氯化二茂基钛、乙酰丙酮氧化钛、乙酰丙酮钛中的一种或几种；
所述的Al的无机合物是三烷基铝、二烷基氯化铝、一烷基二氯化铝、三烷基三氯化二铝、乙酰丙酮铝中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的钛宝石光子晶体光纤制备方法，其特征在于：所述的惰性气体流量是100～400sccm；
所述的钛宝石光子晶体光纤制备方法，其特征在于：所述的惰性气体是N2或Ar。
6.根据权利要求1所述的钛宝石光子晶体光纤制备方法，其特征在于：所述步骤2)中对真空管的加热温度为500～1800℃。
7.根据权利要求1所述的钛宝石光子晶体光纤制备方法，其特征在于：所述的步骤3)中O2占惰性气体的摩尔比1～6％；
所述的保温是将真空管的温度控制在500～1800℃下，并维持30～100min。
8.根据权利要求1所述的钛宝石光子晶体光纤制备方法，其特征在于：所述的步骤4)中高温固化结晶的温度为800～2000℃；
9.根据权利要求1所述的钛宝石光子晶体光纤制备方法，其特征在于：所述的步骤5)中所述的H2流量是100～300sccm。
10.一种钛宝石光子晶体光纤，其特征在于：该钛宝石光子晶体光纤是利用如权利要求1～9任一方法制备而成。
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