CN104496173A

CN104496173A - 用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤的外包层玻璃

Info

Publication number: CN104496173A
Application number: CN201410769609.5A
Authority: CN
Inventors: 姚治东; 史伟
Original assignee: SHANDONG HAIFU PHOTON TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANDONG HAIFU PHOTON TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2015-04-08

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的外包层玻璃，其特征是由二氧化硅的含量在5%至20%，五氧化二磷的含量在50%至70%，碱金属氧化物不大于25%，碱土金属氧化物不大于10%，中间体氧化物的含量在10%至20%，稀土氧化物不大于10%组成，本发明的玻璃组成能够在较宽的范围内调整，使得内外包层之间的数值孔径能在较大的范围内调整，从而能容易地实现全玻璃化高功率光纤激光器对光纤的内外包层玻璃的数值孔径的要求，另外，本发明中的外包层玻璃的化学组成能有效地优化，以使这种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，并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的外包层玻璃

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，特别是一种具有很高的五氧化二磷含量的硅酸盐玻璃作为光纤的外包层玻璃，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，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。

在调节外包层的硅酸盐玻璃组成中，我们发现，仅仅使用二氧化硅SiO₂作为玻璃结构的主要成分，并添加另外一些能够改变玻璃物理化学性能的碱金属氧化物，碱土金属氧化物和中间体氧化物等成分，外包层玻璃的折射率虽然能得到降低，但降低得不够充分，内外包层的数值孔径不能达到充分大的值。

在常温下玻璃的折射率取决于引入玻璃中的各种化合物的折射率和它相应的摩尔分数。在目前引入我们的硅酸盐玻璃组成的各氧化物中，二氧化硅已经具有最低的折射率。如果我们要想进一步降低折射率，我们必须要加入大量的，且具有比二氧化硅更低折射率的氧化物。五氧化二磷P₂O₅正是这样一种氧化物。取决于玻璃组成，五氧化二磷具有比二氧化硅更宽广的折射率调控范围，在常温下，五氧化二磷的折射率（n_D）可在1.338至1.513的范围内调整，而相应的二氧化硅的折射率（n_D）只能在1.458至1.475的较小范围内调整。

发明内容

本发明的目的是在硅酸盐全玻璃光纤中，通过在玻璃组成中引入高含量的五氧化二磷，制备出一种与内包层光纤相配的，具有高数值孔径的用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤的外包层玻璃。

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的外包层玻璃，其特征在于由二氧化硅、五氧化二磷、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组成，上述各组成成份的摩尔百分比为：二氧化硅的含量在5%至20%，五氧化二磷的含量在50%至70%，碱金属氧化物不大于25%，碱土金属氧化物不大于10%，中间体氧化物的含量在10%至20%，稀土氧化物不大于10%。

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）和氧化铯（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）；稀土氧化物一般指得是氧化镧（La₂O₃）。

本发明使用了高含量的五氧化二磷P₂O₅作为玻璃中的主成分之一，并添加了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，还有稀土氧化物来制备作为此种高功率玻璃光纤结构中的外包层玻璃。玻璃组成能够在较宽的范围内调整，使得内外包层之间的数值孔径能在较大的范围内调整，从而能容易地实现全玻璃化高功率光纤激光器对光纤的内外包层玻璃的数值孔径的要求，另外，本发明中的外包层玻璃的化学组成能有效地优化，以使这种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，并能很好地与传统的石英光纤焊接在一起。

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的外包层玻璃，其特征在于由二氧化硅、五氧化二磷、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组成，上述各组成成份的摩尔百分比为：二氧化硅的含量在5%至20%，五氧化二磷的含量在50%至70%，碱金属氧化物不大于25%，碱土金属氧化物不大于10%，中间体氧化物的含量在10%至20%，稀土氧化物不大于10%，其中的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）；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）；稀土氧化物一般指得是氧化镧（La₂O₃）。

本发明使用了高含量的五氧化二磷P₂O₅作为玻璃中的主成分之一，并添加了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，还有稀土氧化物来制备作为此种高功率玻璃光纤结构中的外包层玻璃。玻璃组成能够在较宽的范围内调整，使得内外包层之间的数值孔径能在较大的范围内调整，从而能容易地实现全玻璃化高功率光纤激光器对光纤的内外包层玻璃的数值孔径的要求，另外，本发明中的外包层玻璃的化学组成能有效地优化，以使这种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。

一种用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤的外包层玻璃的制备工艺，其特征在于步骤如下：

步骤一、将五氧化二磷，二氧化硅，碱金属及碱土金属的碳酸化物，中间体氧化物,以及稀土氧化物按设定的比例一起放在玛瑙研钵中混合均匀；

步骤二、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25小时，使玻璃原料充分反应；

步骤三、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。

本发明与石英玻璃相比，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全玻璃光纤。

Claims

1.一种用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤的外包层玻璃，其特征在于由二氧化硅、五氧化二磷、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组成，上述各组成成份的摩尔百分比为：二氧化硅的含量在5%至20%，五氧化二磷的含量在50%至70%，碱金属氧化物不大于25%，碱土金属氧化物不大于10%，中间体氧化物的含量在10%至20%，稀土氧化物不大于10%。

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的外包层玻璃，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）和氧化铯（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的外包层玻璃，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的外包层玻璃，其特征在于中间体氧化物是三氧化二铝（Al₂O₃）。

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的外包层玻璃，其特征在于稀土氧化物是氧化镧（La₂O₃）。