CN103951267A - 用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤，其特征在于使用与石英光纤玻璃中相同结构基团的二氧化硅SiO4作为玻璃结构的主单元，并添加能够改变玻璃物理化学性能的碱金属氧化物、碱土金属氧化物和稀土氧化物来制备而成，本发明中的硅酸盐玻璃的组成能够在较宽的范围内调整，使得光纤的内外包层玻璃之间的数值孔径也能在较大的范围，能产生化学耐久性，因此能有效地抵御环境的侵蚀。也由于与石英玻璃有相同的主化学结构单元，这种硅酸盐玻璃光纤也能很好地与传统的石英光纤焊接在一起。

Description

用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤
技术领域
本发明涉及一种用于高功率光纤激光器的玻璃基质，特别是一种使用稀土掺杂的硅酸盐玻璃，属于光纤及激光技术领域。
背景技术
光纤激光器是以掺杂稀土元素的光纤为增益介质的激光器，通过掺杂不同的稀土元素，如饵（Er），镱（Yb），铥（Tm），钬（Ho），钕（Nd）等，光纤激光器的工作波段覆盖了从紫外到中红外。与其他激光器相比，光纤激光器具有激光工作阈值低，能量转化率高、输出光束质量好、结构紧凑稳定、无需光路调整、散热性能好、寿命长和无需维护等鲜明特点，因此得到快速发展以及广泛地应用。
商用的石英光纤，目前已经能输出很高的功率。它的内部主要由三层结构组成，中央是纤芯，它与内包层之间的数值孔径相差不大，所以，纤芯组成的稍微变动，譬如去掉纤芯组成中稀土元素，内包层的玻璃组成就能达到设计要求。但是内包层和外包层之间的数值孔径，一般设计要求比较大，可达到0.5左右，内包层玻璃组成的稍微变动，不能达到对外包层理想的要求。所以目前商用的石英光纤就不得不用使用其他的材料，譬如塑料来作为它的外包层材料。由于玻璃和塑料的特性迥异，给它的焊接和应用带来了很多问题。随着功率的进一步提高，塑料的不耐高温的缺陷越来越突出。比较塑料，玻璃的耐高温性能明显高得多。因此，生产高功率全玻璃光纤的重要性越来越迫切。
发明内容
本发明的目的是发明一种具有环境稳定性的，适合于稀土离子掺杂的用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤。
本发明通过以下技术方案加以实现的。
一种用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤，其特征在于使用与石英光纤玻璃中相同结构基团的二氧化硅SiO4作为玻璃结构的主单元，并添加能够改变玻璃物理化学性能的碱金属氧化物、碱土金属氧化物和稀土氧化物来制备而成。
本发明碱金属氧化物包括氧化锂（Li2O），氧化钠（Na2O），氧化钾（K2O）氧化铯（Cs2O）；碱土金属氧化物包括氧化镁（MgO），氧化钙（CaO），氧化钡（BaO）；稀土氧化物一般指得是氧化镱（Yb2O3）
本发明所述的二氧化硅SiO4、碱金属氧化物、碱土金属氧化物和稀土氧化物的分子数百分比为：二氧化硅的含量在30%至70%，碱金属氧化物在5%至30%，碱土金属氧化物在5%至30%。
本发明可以添加氧化磷，添加量最高占总分子数百分比不超过15%。
本发明中的硅酸盐玻璃的组成能够在较宽的范围内调整，使得光纤的内外包层玻璃之间的数值孔径也能在较大的范围内调整，从而克服了石英光纤的外包层玻璃因无组成可调整，光纤的外包层不得不使用塑料的困境，从而能实现全玻璃化光纤，本发明的另一大优势是在此硅酸盐玻璃的纤芯组成中，我们还可以加入一些元素，譬如磷元素，来大大地有效地降低或甚至完全消除普遍存在于石英光纤中的光子暗化现象，另外，本发明的硅酸盐玻璃的化学组成能有效地优化，以使这种硅酸盐玻璃能达到和石英玻璃相似的耐侵蚀性能，有效地抵御来自外环境的侵蚀，所述硅酸盐玻璃的主结构基团与石英玻璃完全相同，它们的玻璃性能具有相似性，极大地方便了此种硅酸盐玻璃光纤与商用石英玻璃光纤之间的有效焊接。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。
一种用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤，其特征在于使用与石英光纤玻璃中相同结构基团的二氧化硅SiO4作为玻璃结构的主单元，并添加能够改变玻璃物理化学性能的碱金属氧化物、碱土金属氧化物和稀土氧化物来制备而成。
本发明碱金属氧化物包括氧化锂（Li2O），氧化钠（Na2O），氧化钾（K2O）氧化铯（Cs2O）；碱土金属氧化物包括氧化镁（MgO），氧化钙（CaO），氧化钡（BaO）；稀土氧化物一般指得是氧化镱（Yb2O3）
本发明所述的二氧化硅SiO4、碱金属氧化物、碱土金属氧化物和稀土氧化物的分子数百分比为：二氧化硅的含量在30%至70%，碱金属氧化物在5%至30%，碱土金属氧化物在5%至30%。
本发明可以添加氧化磷，添加量最高占总分子数百分比不超过15%。
本发明中的硅酸盐玻璃的组成能够在较宽的范围内调整，使得光纤的内外包层玻璃之间的数值孔径也能在较大的范围内调整，从而克服了石英光纤的外包层玻璃因无组成可调整，光纤的外包层不得不使用塑料的困境，从而能实现全玻璃化光纤，本发明的另一大优势是在此硅酸盐玻璃的纤芯组成中，我们还可以加入一些元素，譬如磷元素，来大大地有效地降低或甚至完全消除普遍存在于石英光纤中的光子暗化现象，另外，本发明的硅酸盐玻璃的化学组成能有效地优化，以使这种硅酸盐玻璃能达到和石英玻璃相似的耐侵蚀性能，有效地抵御来自外环境的侵蚀，所述硅酸盐玻璃的主结构基团与石英玻璃完全相同，它们的玻璃性能具有相似性，极大地方便了此种硅酸盐玻璃光纤与商用石英玻璃光纤之间的有效焊接。
制作工艺为：首先，二氧化硅，碱金属及碱土金属的碳酸化物，及稀土氧化物一起在玛瑙研钵中良好混合，然后把它们倒入到珀金坩埚中，一起放入到预先升至1500度左右的高温炉中加热，在高温下熔制一段时间以使玻璃原料充分反应后，玻璃液被倾倒在预热好的铸铁模具里，待充分固化后放入退火炉子中冷却至室温后取出待用。如此得到的玻璃与石英玻璃相比，具有低的玻璃熔制温度，宽的玻璃光纤拉制温度区间，及良好的抗环境侵蚀能力。
取出的玻璃块经质量检测后，通过专用设备来制备好预制棒，然后送入特殊光纤拉丝塔中拉出合乎要求的硅酸盐玻璃光纤。

Claims (6)

1.一种用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤，其特征在于使用与石英光纤玻璃中相同结构基团的二氧化硅SiO4作为玻璃结构的主单元，并添加能够改变玻璃物理化学性能的碱金属氧化物、碱土金属氧化物和稀土氧化物来制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤，其特征在于碱金属氧化物包括氧化锂（Li2O），氧化钠（Na2O），氧化钾（K2O）氧化铯（Cs2O）。
3.根据权利要求1所述的一种用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤，其特征在于碱土金属氧化物包括氧化镁（MgO），氧化钙（CaO），氧化钡（BaO）。
4.根据权利要求1所述的一种用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤，其特征在于稀土氧化物一般指得是氧化镱（Yb2O3）。
5.根据权利要求1所述的一种用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤，其特征在于二氧化硅SiO4、碱金属氧化物、碱土金属氧化物和稀土氧化物的分子数百分比为：二氧化硅的含量在30%至70%，碱金属氧化物在5%至30%，碱土金属氧化物在5%至30%。
6.根据权利要求1所述的一种用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤，其特征在于添加氧化磷，添加量最高占总分子数百分比不超过15%。
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