CN102351414A - 一种制备稀土掺杂微结构光纤的方法 - Google Patents

一种制备稀土掺杂微结构光纤的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备稀土掺杂微结构光纤的方法，采取水解-熔融相结合的方法制备稀土离子掺杂的石英玻璃棒；然后将制备好的掺杂石英棒作为微结构光纤的纤芯，采用堆积法制备微结构光纤预制棒；最后拉制成稀土掺杂的微结构光纤，用这种方法制备的稀土掺杂微结构光纤，可实现石英玻璃均匀掺杂、高浓度掺杂、折射率的准确控制和多样化掺杂，用于高功率光纤激光器的研制，能够提高稀土掺杂光纤激光器的稳定性，并提高激光器的功率。

Description

一种制备稀土掺杂微结构光纤的方法
技术领域
本发明涉及一种制备稀土掺杂微结构光纤的方法，属特种光纤制备领域。
背景技术
高功率光纤激光器在工业加工、材料处理、军事国防等领域都具有重要应用，而稀土掺杂光纤作为高功率光纤激光器的重要组成部份，是影响高功率光纤激光器性能进一步提高的主要因素。目前稀土掺杂光纤激光器的稳定性和功率偏低等仍然有待研究解决，大量研究表明，缩短激光器腔长、提高掺杂浓度、增大纤芯直径是解决这些问题的最佳途径，因此，大模场高浓度掺杂微结构光纤(MSF)对高功率光纤激光器研制起着决定性的作用。材料掺杂又是决定MSF功能和性能的核心，常用的改进化学气相沉积技术(MCVD)在制备大模场高浓度掺杂MSF上遇到极大的困难，如：掺杂浓度低、折射率分布不均匀、波动大、难以制备成大芯径、掺杂种类少，且由于必须用普通石英管作为衬底，因此在掺杂的预制棒中存在纯石英区等。因此，影响了超高功率、多波长调谐光纤激光器的发展。
目前石英光纤掺杂技术主要有如下四种：外气相沉积法(OVD)、气相轴向沉积法(VAD)、改进气相沉积法(MCVD)和等离子体化学气相沉积工艺(PCVD)。这些方法的共同点是在石英管内表面或外表面沉积上一层掺杂的材料，在它们收缩成实芯棒后都会存在没有掺杂的空白区(纯石英)，这样降低了掺杂区的有效面积，对于制备高功率光纤激光器用的掺杂MSF具有很大的局限性。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种制备稀土掺杂的微结构光纤的方法，该方法能够将稀土离子，如Yb3+、Er3+、Ho3+和Tm3+等均匀地掺到MSF内，不但可弥补MCVD的缺点，在掺杂种类上也具有更好的灵活性。
本发明提供一种制备稀土掺杂的微结构光纤的方法，该方法包括如下步骤：
步骤(1)采取水解-熔融相结合的方法制备稀土掺杂石英玻璃棒：
称取稀土离子的氯化物和共掺物，将其溶于蒸馏水中，配置成水溶液，通过高纯氧气将定量的四氯化硅(SiCl4)输送到水溶液中，利用稀土离子溶液与四氯化硅(SiCl4)进行化学反应，并进行去水和脱[OH]-处理过程，从而获得掺有所需的稀土氧化物和共掺物的二氧化硅混合物，
将所述的混合物通过高温炉在氧气气氛保护下进行高温熔炼，制成稀土掺杂的石英玻璃棒；
步骤(2)制备稀土掺杂微结构光纤预制棒：
将所述步骤(1)制备好的掺杂石英棒，经过打磨和抛光成外径为10-30mm均匀的掺杂石英棒，然后将其拉细至1-5mm，作为微结构光纤预制棒的纤芯，在纤芯周围周期性排布毛细管，采用堆积法制备微结构光纤预制棒，预制棒外径可从15到50mm、长度可从20到120cm；
步骤(3)掺杂微结构光纤预制棒的拉制：
将所述步骤(2)制备好的掺杂微结构光纤预制棒，安装在光纤拉丝塔上，通过加热到1800℃。最后拉制出外径为100-1000μm的稀土掺杂微结构光纤。
本申请采用水解-熔融相结合的方法制备稀土掺杂的石英玻璃棒，可实现石英玻璃均匀掺杂、高浓度掺杂、折射率的准确控制和多样化掺杂，为制备特种光纤开辟了新的途径，并采用堆积毛细管法排布出灵活多样的的预制棒，通过高温拉丝塔拉制能够得到单模、大模场的高浓度掺杂微结构光纤，稀土离子的有效掺杂浓度超过10000ppm。
制备出的稀土掺杂的微结构光纤可用于高功率光纤激光器的研制，能够提高稀土掺杂光纤激光器的稳定性，并提高激光器的功率。
通过以下参照附图对优选实施例的说明，本申请的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。
附图说明
图1示例性示出制备稀土掺杂的微结构光纤方法的流程图；
图2示例性示出由微结构光纤预制棒拉制微结构光纤的过程；
图3为按照本申请的方法制备出的大模场掺镱微结构光纤的端面图。
具体实施方式
下面将详细描述本申请的实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本申请。
由于稀土离子在石英玻璃的固有溶解度非常低，为此要通过加入共掺物(如：Al2O3等)来形成多元体系，从而提高稀土离子在石英玻璃的浓度。石英玻璃是由[SiO4]以顶角相连而组成的三维架状网络，当RO和R2O氧化物加入到石英玻璃中(R表示为稀土离子)，就会破坏三维架状网络结构，结构从架状→层状→链状变化，随之玻璃的性质会发生变化。为了表示玻璃网络结构特征，引入四个参数：X为每个多面体非桥氧离子的平均数；Y为每个多面体桥氧离子的平均数；Z为每个多面体氧离子的平均数；R为玻璃中氧离子总数与网络形成离子总数之比，且X+Y＝Z，X+Y/2＝R。其中，Y称为结构参数，玻璃的很多性质取决于Y。Y越小网络空间的聚集程度也越小，结构变的松散，有利于网络变性离子的运动，所以，玻璃的热膨胀系数和电导增加，粘度下降。若组成RO+R2O/Al2O3＞1；则Al离子被认为占据[AlO4]四面体的中心；RO+R2O/Al2O3＜1，则Al离子被认为是网络变性离子。，我们经过理论计算并结合实验要求得出最佳组份配比和浓度，确定的掺杂质量比为SiO2(97.22％)，YbCl3·6H2O(0.9247％)，ACl3·6H2O(1.8553％)。
以Er3+、Tm3+、Yb3+等稀土离子作为掺杂源，称取相应的这些离子的氯化物和共掺物(如：氯化铝等)，并将其溶于蒸馏水中，配置成水溶液，之后用高纯氧气将定量的SiCl4输送到溶液中与水进行反应，SiCl4与水会产生快速反应如下：
SiCl4+2H2O＝SiO2↓+4HCl↑
2RCl3+3H2O＝R2O3↓+6HCl↑
其中，R代表稀土离子或共掺物离子。然后将水蒸干，再采用氯气加热去除[OH]-，减少[OH]-所带来的吸收损耗，从而获得掺有所需的稀土氧化物和共掺物的二氧化硅混合物。
掺杂石英玻璃的熔炼对工艺参数具有很高的要求，由于普通的电阻炉很难达到2000℃以上的高温，发热体也极易被氧化，实验还要求在超净空间中进行，因此采用等离子体高温炉、电离放电高温炉或电磁感应高温炉对掺杂石英棒在氧气气氛保护下进行熔炼，这些加热设备的温度一般可达到3000-5000℃。熔炼过程主要包括如下过程：①硅酸盐形成。配料中各组分在加热过程中经过一系列物理化学变化，固态反应结束后，大部分气体逸出，粉料变为烧结物；②玻璃形成。由于继续加热，烧结的物质开始熔融，硅酸盐与硅氧相互溶解，相互扩散，烧结物变为透明，呈液态；③玻璃澄清。玻璃形成阶段结束时，玻璃液中还残留许多气泡和条纹，继续加热玻璃液的粘度就会下降，而且会增大气泡的直径，加快气泡上升的速度，利于气泡和条纹的消除；④玻璃液的均化。玻璃液长时间处于高温状态，各部分扩散的结果，化学组成趋于相同，条纹会逐渐消除；⑤玻璃棒的成形。将其制备成棒将主要是有利于MSF预制备的制备，也可以根据设计要求灵活地制备成其他形状。
然后制备稀土掺杂微结构光纤预制棒：将制备好的掺杂石英棒经过打磨和抛光成外径为10-30mm均匀的掺杂石英棒，然后将其拉细至1-5mm，作为微结构光纤预制棒的纤芯，在纤芯周围周期性排布石英毛细管，采取合适的石英管作为外套管，采用堆积法制备微结构光纤预制棒，预制棒外径可从15到50mm、长度可从20到120cm。
最后，将制备好的微结构光纤预制棒安装在光纤拉丝塔上，通过控制温度在约1800度，拉制出外径为100-1000μm的稀土掺杂微结构光纤。拉制微结构光纤过程中，可同时采用光固化法在所述微结构光纤的外层涂覆1-2层硅胶保护层。图2示例性示出由微结构光纤预制棒拉制微结构光纤的过程。
按照上述方法，拉制出的大模场掺镱微结构光纤端面图如图3所示，掺杂浓度约13000ppm。

Claims (8)

1.一种制备稀土掺杂微结构光纤的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤(1)采取水解-熔融相结合的方法制备稀土掺杂石英玻璃棒：
称取稀土离子的氯化物和共掺物，将其溶于蒸馏水中，配置成水溶液，通过高纯氧气将定量的四氯化硅(SiCl4)输送到水溶液中，利用稀土离子溶液与四氯化硅(SiCl4)进行化学反应，并进行去水和脱[OH]-处理过程，从而获得掺有所需的稀土氧化物和共掺物的二氧化硅混合物，
将所述的混合物通过高温炉在氧气气氛保护下进行高温熔炼，制成稀土掺杂的石英玻璃棒；
步骤(2)制备稀土掺杂微结构光纤预制棒：
将所述步骤(1)制备好的掺杂石英棒，经过打磨和抛光成外径为10-30mm均匀的掺杂石英棒，然后将其拉细至1-5mm，作为微结构光纤预制棒的纤芯，在纤芯周围周期性排布毛细管，采用堆积法制备微结构光纤预制棒，预制棒外径可从15到50mm、长度可从20到120cm；
步骤(3)掺杂微结构光纤预制棒的拉制：
将所述步骤(2)制备好的掺杂微结构光纤预制棒，安装在光纤拉丝塔上，通过加热到1800℃。最后拉制出外径为100-1000μm的稀土掺杂微结构光纤。
2.根据权利要求1所述的制备稀土掺杂的微结构光纤的方法，其特征在于：所述掺杂微结构光纤为高浓度掺杂微结构光纤。
3.根据权利要求2所述的制备稀土掺杂的微结构光纤的方法，其特征在于：所述掺杂微结构光纤为单模、大模场的高浓度掺杂微结构光纤。
4.根据权利要求1所述的制备稀土掺杂的微结构光纤的方法，其特征在于：该方法使得稀土离子的有效掺杂浓度超过10000ppm。
5.根据权利要求1所述的制备稀土掺杂的微结构光纤的方法，其特征在于：所述稀土离子为Yb3+、Er3+或Tm3+。
6.根据权利要求1所述的制备稀土掺杂的微结构光纤的方法，其特征在于：所述共掺物为A1203。
7.根据权利要求1所述的制备稀土掺杂的微结构光纤的方法，其特征在 于：所述高温炉为等离子体高温炉、电离放电高温炉或电磁感应高温炉。
8.根据权利要求1所述的制备稀土掺杂的微结构光纤的方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，拉制微结构光纤过程中，同时采用光固化法在所述微结构光纤的外层涂覆硅胶保护层。 
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102992613A (zh) * 2012-12-25 2013-03-27 长飞光纤光缆有限公司 一种稀土均匀掺杂光纤预制棒芯棒及其制备方法
CN104591535A (zh) * 2014-11-04 2015-05-06 华南师范大学 采用激光熔炼技术制备稀土掺杂石英玻璃微结构光纤的方法
CN110989070A (zh) * 2019-12-11 2020-04-10 华南师范大学 一种可生成并放大oam光束的微结构光纤及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0540042B1 (en) * 1991-11-01 1997-01-02 Nippon Telegraph And Telephone Corporation High power acceptable optical fiber and fabrication method thereof
CN1423623A (zh) * 2000-01-20 2003-06-11 康宁股份有限公司 制备形成玻璃用的粉末的溶胶－凝胶法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0540042B1 (en) * 1991-11-01 1997-01-02 Nippon Telegraph And Telephone Corporation High power acceptable optical fiber and fabrication method thereof
CN1423623A (zh) * 2000-01-20 2003-06-11 康宁股份有限公司 制备形成玻璃用的粉末的溶胶－凝胶法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
姜洪舟: "《无机非金属材料热工设备》", 31 May 2009, article "《无机非金属材料热工设备》", pages: 404-424 *
杨一栋: "《直升机飞行控制》", 30 June 2011, article "《直升机飞行控制》", pages: 184 *
苏君红等: "《光纤材料技术》", 30 April 2009, article "《光学材料技术》", pages: 41-71 *
郭巍等: "《利用改进的堆积法制备微结构光纤》", 《光电子.激光》, vol. 17, no. 9, 30 September 2006 (2006-09-30), pages 1035 - 1038 *
韩颖等: "《镱铝共掺石英玻璃的制备及其发光特性的研究》", 《物理学报》, vol. 60, no. 5, 15 May 2011 (2011-05-15) *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102992613A (zh) * 2012-12-25 2013-03-27 长飞光纤光缆有限公司 一种稀土均匀掺杂光纤预制棒芯棒及其制备方法
CN102992613B (zh) * 2012-12-25 2015-09-30 长飞光纤光缆股份有限公司 一种稀土均匀掺杂光纤预制棒芯棒及其制备方法
CN104591535A (zh) * 2014-11-04 2015-05-06 华南师范大学 采用激光熔炼技术制备稀土掺杂石英玻璃微结构光纤的方法
CN110989070A (zh) * 2019-12-11 2020-04-10 华南师范大学 一种可生成并放大oam光束的微结构光纤及其制备方法

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