CN103964696B - 用于高功率光纤激光器的磷酸盐硅酸盐全玻璃混杂光纤 - 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磷酸盐硅酸盐全玻璃混杂光纤，其特征在于使用磷酸盐玻璃作为纤芯，硅酸盐玻璃作为内外包层玻璃，五氧化二磷P2O5和二氧化硅SiO2分别是这些磷酸盐和硅酸盐玻璃结构中的主单元，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，中间体氧化物和稀土氧化物来制备而成，由于使用了磷酸盐玻璃作为纤芯，大大地降低了甚至完全消除了普遍存在于石英光纤中的光子暗化现象，本发明中的玻璃组成能够在较宽的范围内调整，使得光纤的纤芯和内包层玻璃，内外包层玻璃之间的数值孔径都能在较大的范围内调整，玻璃也能产生化学耐久性，有效地抵御环境的侵蚀，并能很好地与传统的石英光纤焊接在一起。
Description
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磷酸盐玻璃作为光纤纤芯基质，硅酸盐玻璃作为光纤包层基质，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。
我们已经在生产高功率全玻璃光纤上做了一些探索，并申请了相应的技术专利“用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤”。在这专利中，在不损害光纤的环境稳定性的前提下，硅酸盐玻璃组成经过了最优化调整，能够有效地代替塑料作为光纤的外包层。
比较硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃基质本身具有它特有的优势：1）稀土离子的高掺杂性。这个特性使得单位长度的磷酸盐玻璃光纤能获得更高的输出功率和增益，于是减少了活化光纤的长度。活化光纤长度的减少，又能进一步抑制光纤中一些不被期望的非线性效应，譬如受激拉曼散射，受激布里渊散射等等。2）光子暗化效应的抑制。伴随着泵浦功率的逐步提高，石英光纤中光子暗化效应逐渐显现出来，造成了输出光的功率和质量的大幅下滑。已经有学者的研究报告显示，即使在高的稀土离子的掺杂浓度下，磷酸盐玻璃光纤也显示出了显著的光子暗化现象的抑制效应。磷酸盐玻璃的劣势也是显而易见的：1）低的化学稳定性。容易在大气环境下产生化学组成和结构的变化，导致光纤的激光性能相应劣化。2）与石英光纤的困难的焊接。由于与石英光纤有着截然不同的物化性能，磷酸盐玻璃光纤与石英玻璃光纤之间的焊接是相当困难的。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有高的光子暗化效应阻力的，环境稳定的，适合于稀土离子掺杂的，以及易于与石英光纤焊接的高功率全玻璃光纤激光器。
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磷酸盐硅酸盐全玻璃混杂光纤，其特征在于分别使用五氧化二磷P2O5或与石英光纤玻璃中相同的结构基团的二氧化硅SiO2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，中间体氧化物，还有稀土氧化物来分别制备作为此种高功率玻璃光纤纤芯和内外包层的磷酸盐及硅酸盐玻璃。
本发明中的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）；中间体氧化物一般指得是三氧化二铝（Al2O3）；稀土氧化物包括氧化镱（Yb2O3）和氧化铒（Er2O3）。
本发明所述的磷酸盐玻璃纤芯的化学组成中，五氧化二磷P2O5、碱金属氧化物、碱土金属氧化物，中间体氧化物和稀土氧化物的分子数百分比为：五氧化二磷的含量在50%至75%，碱金属氧化物不大于15%，碱土金属氧化物在10%至30%，中间体氧化物不大于25%，稀土氧化物不大于10%。
本发明所述的硅酸盐玻璃包层的化学组成中，二氧化硅SiO2、碱金属氧化物，碱土金属氧化物和中间体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%，中间体氧化物不大于30%。
本发明中的磷酸盐和硅酸盐玻璃的组成都能够在较宽的范围内调整，使得磷酸盐玻璃光纤纤芯和硅酸盐玻璃内包层，硅酸盐玻璃内外包层的玻璃之间的数值孔径都能在较大的范围内调整，从而克服了石英光纤的外包层因无玻璃组成可调整，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在于，由于使用了磷酸盐玻璃作为纤芯，大大地降低了甚至完全消除了普遍存在于石英光纤中的光子暗化现象。
作为纤芯的磷酸盐玻璃，虽然它的化学稳定性低，但在光纤端面的横截面中，所占的比例较小，所以光纤的物化性质主要由作为内外包层的硅酸盐玻璃所决定。本发明的硅酸盐包层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。
也由于作为包层的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：
磷酸盐纤芯玻璃的制备工艺：
首先，五氧化二磷，碱金属及碱土金属的碳酸化物，中间体氧化物,以及稀土氧化物一起放在玛瑙研钵中良好混合，然后把它们倒入到铂金坩埚中，一起放入到预先升至1500度左右的高温炉中加热，熔制时间约为50小时，以使玻璃原料充分反应后，将玻璃液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。如此得到的磷酸盐玻璃除非加工，一般情况下保存在干燥器里。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。
硅酸盐包层玻璃的制备工艺：
首先，二氧化硅，碱金属及碱土金属的碳酸化物，以及中间体氧化物一起放在玛瑙研钵中良好混合，然后把它们倒入到铂金坩埚中，一起放入到预先升至1600度左右的高温炉中加热，在高温下熔制约25小时，以使玻璃原料充分反应后，将玻璃液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磷酸盐硅酸盐全玻璃混杂光纤。
Claims (2)
1.一种用于高功率光纤激光器的磷酸盐硅酸盐全玻璃混杂光纤，其特征在于使用磷酸盐玻璃作为纤芯，硅酸盐玻璃作为内外包层玻璃，五氧化二磷P2O5和二氧化硅SiO2分别是这些磷酸盐和硅酸盐玻璃结构中的主单元，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，中间体氧化物和稀土氧化物来制备而成，
其中，五氧化二磷P2O5、碱金属氧化物、碱土金属氧化物，中间体氧化物和稀土氧化物的分子数百分比为：五氧化二磷的含量在50％至75％，碱金属氧化物不大于15％，碱土金属氧化物在10％至30％，中间体氧化物不大于25％，稀土氧化物不大于10％；
二氧化硅SiO2、碱金属氧化物，碱土金属氧化物和中间体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％，中间体氧化物不大于30％；
所述碱金属氧化物包括氧化锂(Li2O)，氧化钠(Na2O)，氧化钾(K2O)和氧化铯(Cs2O)；
所述碱土金属氧化物包括氧化镁(MgO)，氧化钙(CaO)和氧化钡(BaO)；
所述稀土氧化物包括氧化镱(Yb2O3)和氧化铒(Er2O3)。
2.根据权利要求1所述的一种用于高功率光纤激光器的磷酸盐硅酸盐全玻璃混杂光纤，其特征在于中间体氧化物为三氧化二铝。
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