CN104556674B - 一种稀土离子共掺光纤预制棒的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稀土离子共掺光纤预制棒的制备方法。分别配制多种稀土离子和铝离子共掺剂的水溶液；选择石英基管并接入MCVD车床，高温抛光后，依次沉积隔离层和疏松芯层；将含有疏松芯层的空心棒体固定在升降装置上，棒体部分浸泡在溶液中；根据预先设计的棒芯轴向离子共掺比例分布与浓度分布改变溶液中各种离子的共掺比例与浓度，同时通过升降装置调节棒体在溶液中浸泡的长度；将浸泡好的棒体重新接入MCVD车床，干燥脱水后，将疏松芯层玻璃化，最后将棒体熔缩成实心棒。本方法可灵活精确地控制预制棒芯部轴向上的离子共掺比例与掺杂浓度的分布，为不同种类稀土离子共掺光纤找到最佳的离子共掺比例与掺杂浓度提供一种十分有效的简便方法。

Description

一种稀土离子共掺光纤预制棒的制备方法

技术领域

本发明涉及光纤制造工艺，尤其涉及一种稀土离子共掺光纤预制棒的制备方法。

背景技术

1985年，英国南安普敦大学的研究人员采用改进的化学汽相沉积工艺(ModifiedChemical Vapour Deposition，MCVD)成功研制出掺稀土光纤。近三十年来，研究人员不断地对掺稀土光纤的制备工艺进行改进和创新，进而使得掺稀土光纤放大器与激光器得到了持续、快速的发展。激光器及应用技术是关系到国防、民生的一项重要光电子领域前沿技术，与半导体激光器、气体激光器等其它类型的激光器相比，以掺稀土光纤为增益介质的光纤激光器具有高光束质量、高效率、低阈值、可调谐、窄线宽与高性价比等优点，而掺稀土光纤是制约光纤放大器与激光器进一步发展的关键材料，因此，我们必须进一步提高掺稀土光纤的性能、开发新品种的掺稀土光纤。

为不断提升光纤放大器与激光器的性能，研究人员在掺单种稀土元素光纤的基础上，开发出稀土离子共掺光纤，目前，取得进展较大的稀土离子共掺光纤主要为铒镱共掺光纤，其它种类的稀土离子共掺光纤仍处于理论与探索阶段。下面以铒镱共掺光纤为例，对稀土离子共掺光纤的性能及优点进行说明：与掺铒光纤相比，铒镱共掺光纤主要有以下优点：Yb³⁺具有非常宽的吸收带(800~1070nm)和激发带，极大地扩展了泵浦光源的范围；Yb³⁺无浓度淬灭现象，可以高浓度掺杂；Yb³⁺的吸收截面远大于Er³⁺，较易吸收980nm附近的泵浦光能量；Yb³⁺的₂F_5/2能带和Er³⁺的₄I_11/2能带较为接近，离子能量非常容易从Yb³⁺的₂F_5/2能带转移到Er³⁺的₄I_11/2能带上，然后无辐射跃迁到₄I_13/2能带，最后辐射出光子，回到₄I_15/2能带。然而，对于光纤放大器与激光器，Er³⁺、Yb³⁺的浓度达到某个最佳比例时，系统的性能才能达到最佳。如果Er₃₊掺杂浓度过高，会导致Er³⁺发生聚集和能量上转换现象；如果Yb³⁺浓度过高，则导致Yb³⁺离子相互之间发生能量转换，使得泵浦功率的吸收效率降低。尤其是当需要高浓度掺杂Er³⁺和Yb³⁺时，更要掌握好Er³⁺、Yb³⁺和铝、磷等共掺离子的共掺比例。对于高浓度稀土离子共掺光纤，为找到最佳共掺比例，如果采用传统的溶液掺杂法，则需要进行大量试验，制备大量的预制棒，如此既花费大量时间，又不利于节约研发成本。因此，针对高浓度稀土离子共掺光纤的研制，有必要开发出一种高效的制备方法。

高功率光纤激光器不仅可用于工业切割、焊接等技术领域，也可用于国防军事领域，高功率光纤激光器可用于攻击敌方战车、舰船、导弹，甚至在轨飞船、卫星等。然而，掺稀土光纤中的热效应严重制约着激光器功率的进一步提升。提高掺稀土光纤中稀土离子的利用率是降低光纤热效应的一种重要的有效手段，在高浓度掺杂光纤中，靠近泵浦端的稀土离子会吸收掉较多的泵浦能量，距离泵浦端越远，剩余的泵浦能量就越少，因此，远端的稀土离子利用率较低，会导致离子相互之间发生能量转换，进而产生不必要的热效应。针对以上问题，研究人员提出了梯度掺杂的概念，即从泵浦端开始，逐步降低稀土离子的掺杂浓度，进而提高稀土离子的利用率。然而，目前还没有有效的技术手段制备梯度掺稀土光纤。

发明内容

本发明的目的是针对现有掺稀土光纤制备方法的不足，提供一种稀土离子共掺光纤预制棒的制备方法，该方法通过控制浸泡在溶液中预制棒的高度位置和溶液中各种共掺离子浓度的变化，达到控制掺稀土光纤轴向上各种离子掺杂浓度分布的作用。

本发明由以下技术方案完成：一种稀土离子共掺光纤预制棒的制备方法，其特征在于，稀土离子共掺光纤预制棒的制备采用MCVD工艺与溶液掺杂法，该方法包括以下制备步骤：

（1）.分别配制多种稀土离子和铝离子共掺剂的水溶液；

（2）.选择石英基管并接入MCVD车床，高温抛光后，依次沉积隔离层和疏松芯层；

（3）.将含有疏松层的空心棒体固定在电控升降装置上，起始阶段，保证含有疏松芯层的棒体部分完全浸泡在溶液中；

（4）.根据预先设计的棒芯轴向离子共掺比例分布与浓度分布，改变溶液中各种离子的共掺比例与浓度，同时通过电控升降装置调节棒体在溶液中浸泡的长度；

（5）.将浸泡好的棒体重新接入MCVD车床，干燥脱水后，将疏松芯层玻璃化，最后将空心棒体熔缩成实心棒。

本发明的优点是：可灵活精确地控制预制棒芯部轴向上的离子共掺比例与掺杂浓度的分布，为不同种类稀土离子共掺光纤找到最佳的离子共掺比例与掺杂浓度提供一种十分有效的简便方法，可提升科研效率，同时也可降低研发成本。此外，本发明也适用于梯度稀土离子掺杂光纤预制棒的制备。

附图说明

图1为稀土离子液相掺杂装置的结构示意图；

图2为本发明制备的预制棒横截面图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

采用本方法制备光纤预制棒的棒芯部分以二氧化硅为基质，除掺杂至少两种稀土离子外，芯棒中也可同时掺入铝和磷等元素。棒芯轴向上的离子共掺比例与掺杂浓度至少有一项是不同的。稀土离子通过溶液掺杂法掺入预制棒，即通过溶液浸泡的方式使稀土离子浸入到预制棒的疏松状芯层孔隙中。如果芯层中需要掺入铝元素，铝离子通过溶液掺杂法掺入；如果芯层中需要掺入磷元素，磷元素通过气相掺杂法掺入。含有疏松芯层的棒体垂直放入装有稀土离子溶液的容器中，在浸泡过程中，可以通过电控升降装置来调节棒体的高度，起始阶段，保证含有疏松芯层的棒体部分完全浸泡在溶液中，即控制棒体在溶液中浸泡的长度。在预制棒不断提升的过程中，通过在容器中不断注入稀土离子溶液或者不断注入去离子水的方式改变原有溶液浓度或者稀土离子浓度的比例。当不断改变溶液中的离子浓度及离子共掺比例时，棒芯高出液面的部分与低于液面的部分受到的影响是不同的，进而使棒芯在轴向上具有不同的离子共掺比例与掺杂浓度。

溶液配制过程中应避免杂质的引入，且应尽量选用较高纯度的原料；步骤（1）中，稀土离子、铝离子共掺剂的水溶液采用稀土氯化物、氯化铝与酒精配制。稀土离子溶液、氯化铝溶液或去离子水的添加通过液体流量计来控制。步骤（3）中，含有疏松层的棒体部分在溶液中浸泡总时间为4-12小时。步骤（4）中，计算棒体在溶液中浸泡的长度时，需要考虑到由于添加溶液或去离子水导致的液面变化。

参照图1，如果在具体实施过程中，需要在疏松芯层中掺入三种或者更多种稀土离子，在整个系统中可以添加相应的锥形玻璃容器、溶液输送管路与液体流量计等装置。同理，如果在具体实施过程中，需要在疏松芯层中掺入三种或者更多种共掺离子，同样在整个系统中可以添加相应的锥形玻璃容器、溶液输送管路与液体流量计等装置。

实施例1：本实施例适用于制作在轴向上具有不同离子共掺比例的光纤预制棒。为便于理解，本实施例以较为常见的铒镱共掺光纤预制棒的制作过程为例进行说明。首先利用MCVD工艺沉积含有疏松芯层的预制棒，沉积完成后取下接有支撑管5的预制棒4，通过夹具7固定在电控精密升降装置6上。在第一锥形玻璃容器8、第二锥形玻璃容器9、第三锥形玻璃容器10及第四锥形玻璃容器11中分别注入镱离子溶液、铒离子溶液、铝离子溶液及去离子水，然后打开第一开关12、第二开关13、第三开关14及第四开关15，通过控制开关的打开时间，控制第一流量计17、第二流量计18、第三流量计19及第四流量计20，四个流量计分别通过溶液输送管路16与四个锥形玻璃容器连接。在容器1中注入设定体积的镱离子溶液、铒离子溶液、铝离子溶液及去离子水，然后，通过电控精密升降装置将预制棒4浸入溶液2中。电动精密升降装置6均由电脑程序控制。为提高预制棒4利用率，控制电控精密升降装置6使预制棒4和支撑管5的接口位置与液面3持平。预制棒4充分浸泡时间t(一般t≥2小时)后，将预制棒4提升出溶液2，然后，通过控制第二开关13、第三开关14及第四开关15的打开时间及，控制第二流量计18、第三流量计19及第四流量计20，在容器1中注入设定体积的铒离子溶液、铝离子溶液及去离子水，待溶液混合均匀后，将一部分预制棒4重新浸入溶液2，留在液面3上方的预制棒4长度为L/n，其中L表示预制棒的长度，n为浸泡总次数。浸泡时间t后，再次将预制棒提升出溶液2，然后再次通过控制第二开关13、第三开关14及第四开关15的打开时间，控制第二流量计18、第三流量计19及第四流量计20，在容器1中注入设定体积的铒离子溶液、铝离子溶液与去离子水，待溶液混合均匀后，再次将一部分预制棒4浸入溶液，此次留在液面3上方的预制棒的长度为2L/n。然后，不断重复以上过程，以至最后一次浸泡时，液面3下方的预制棒长度为L/n。含有疏松层的棒体部分在溶液中浸泡总时间为10小时。最终将共浸泡n次后的预制棒4重新接入MCVD车床。干燥脱水后，将疏松层玻璃化，最后将空心棒体熔缩成实心棒。按照以上实施方案，便可制备出在轴向位置上具有不同离子共掺比例的铒镱共掺光纤预制棒。

其它在轴向上具有不同离子共掺比例的稀土离子共掺光纤预制棒的制作过程可参照实施例1。

实施例2：本实施例适用于制作在轴向上具有相同离子共掺比例、不同掺杂浓度的光纤预制棒。首先利用MCVD工艺沉积含有疏松芯层的预制棒，沉积完成后取下接有支撑管5的预制棒4，通过夹具7固定在电控精密升降装置6上。在第一锥形玻璃容器8、第二锥形玻璃容器9、第三锥形玻璃容器10及第四锥形玻璃容器11中分别注入A种稀土离子溶液、B种稀土离子溶液、共掺离子溶液及去离子水，然后打开第一开关12、第二开关13、第三开关14及第四开关15，通过控制开关的打开时间，控制第一流量计17、第二流量计18、第三流量计19及第四流量计20，四个流量计分别通过溶液输送管路16与四个锥形玻璃容器连接。在容器1中注入设定体积的A种稀土离子溶液、B种稀土离子溶液、共掺离子溶液与去离子水，然后，通过电控精密升降装置6将预制4棒浸入溶液2中，电动精密升降装置6均由电脑程序控制。为提高预制棒4利用率，控制电控精密升降装置使预制棒4和支撑管5的接口位置与液面3持平。预制棒4充分浸泡时间t(一般t≥2小时)后，将预制棒4提升出溶液2，然后，通过控制第四开关15的打开时间，控制第四流量计20。在容器1中注入设定体积的去离子水，待溶液混合均匀后，将一部分预制棒4重新浸入溶液2，留在液面3上方的预制棒4长度为L/n。浸泡时间t后，再次将预制棒4提升出溶液2，然后再次通过控制第四开关15的打开时间，控制第四流量计20。在容器1中注入设定体积的去离子水，待溶液混合均匀后，再次将一部分预制棒4浸入溶液2，此次留在液面3上方的预制棒的长度为2L/n。然后，不断重复以上过程。含有疏松层的棒体部分在溶液中浸泡总时间为9小时。最终将共浸泡n次后的预制棒4重新接入MCVD车床，干燥脱水后，将疏松层玻璃化，最后将空心棒体熔缩成实心棒。

实施例3：本实施例适用于制作梯度掺杂稀土光纤预制棒。首先利用MCVD工艺沉积含有疏松芯层的预制棒，沉积完成后取下接有支撑管5的预制棒4，通过夹具7固定在电控精密升降装置6上。在第一锥形玻璃容器8、第二锥形玻璃容器9、第三锥形玻璃容器10及第四锥形玻璃容器11中分别注入A种稀土离子溶液、B种稀土离子溶液、共掺离子溶液及去离子水，然后打开第一开关12、第二开关13、第三开关14及第四开关15，通过控制开关的打开时间，控制第一流量计17、第二流量计18、第三流量计19及第四流量计20，四个流量计分别通过溶液输送管路16与四个锥形玻璃容器连接。在容器1中注入设定体积的A种稀土离子溶液、B种稀土离子溶液、共掺离子溶液与去离子水，然后，通过电控精密升降装置6将预制棒4浸入溶液2中，电动精密升降装置6均由电脑程序控制。预制棒4充分浸泡时间t₁(一般t≥2小时)后，利用电动精密升降装置6开始缓慢升高预制棒4的高度，与此同时，打开第四开关15及第四流量计20，在容器1中持续注入设定流量的去离子水，最终，当预制棒4完全高出液面后，关闭第四开关15。一般此阶段的时间t₂大于8小时。含有疏松层的棒体部分在溶液中浸泡总时间为10.5小时。最终将预制棒重新接入MCVD车床，干燥脱水后，将疏松层玻璃化，最后将空心棒体熔缩成实心棒。按照以上实施方案，便可制备出梯度掺杂光纤预制棒。

综上所述，本发明提供了一种有效的可以使离子共掺光纤预制棒的芯部在轴向上具有不同离子共掺比例与掺杂浓度的制备方法。采用本方法制备的预制棒4的横截面结构从外到内依次为石英反应管管壁21、隔离层22、疏松芯层23和中空部分24，如图2所示。

Claims (3)

1.一种稀土离子共掺光纤预制棒的制备方法，其特征在于，稀土离子共掺光纤预制棒的制备采用改进的化学气相沉积工艺（MCVD）与溶液掺杂法，该方法包括以下制备步骤：

（1）.分别配制多种稀土离子和铝离子共掺剂的水溶液；

（2）.选择空心石英基管棒体并接入MCVD车床，高温抛光后，依次沉积隔离层和疏松芯层；

（3）.将含有疏松芯层的空心石英基管棒体固定在电控升降装置上，起始阶段，保证含有疏松芯层的空心石英基管棒体部分完全浸泡在溶液中；

（4）.根据预先设计的棒芯轴向离子共掺比例分布与浓度分布，改变溶液中各种离子的共掺比例与浓度，同时通过电控升降装置调节空心石英基管棒体在溶液中浸泡的长度；

（5）.将浸泡好的空心石英基管棒体重新接入MCVD车床，干燥脱水后，将疏松芯层玻璃化，最后将空心石英基管棒体熔缩成实心棒。

2.根据权利要求1所述的一种稀土离子共掺光纤预制棒的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，稀土离子、铝离子共掺剂的水溶液采用稀土氯化物、氯化铝与酒精配制。

3.根据权利要求1所述的一种稀土离子共掺光纤预制棒的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）和步骤（4）中，含有疏松芯层的空心石英基管棒体部分在溶液中浸泡总时间为4-12小时。