CN106646735B - 一种抗辐射光纤及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抗辐射光纤，包括从外到内设置的外层涂层、外包层、内包层和纤芯，所述的外层涂层中包含200～1000ppm的可变价金属元素的氧化物，所述的外包层内形成包含200～500ppm的可变价金属元素的氧化物及用于将外包层的折射率与SiO2持平的氟的抗辐射层，所述的纤芯中包含与主掺杂剂同时沉积的300～800ppm的可变价金属元素的氧化物。与现有技术相比，本发明通过三道抗辐射防线从而具有抗干扰能力强等优点，能够保证各种光纤的应用安全。

Description

一种抗辐射光纤及其制备工艺
技术领域
本发明涉及光纤领域，尤其是涉及一种抗辐射光纤及其制备工艺。
背景技术
通信光纤的应用遍布全球，用量已有数十亿公里，几十年实践证明，在常态辐射环境下对辐射并不敏感。但是特种光纤，如线保偏，圆保偏光纤等制成的光纤传感器(光纤陀螺，光纤水听器)，如用在核现场的精密测量，水下监听和卫星导航，就必须考虑辐射带来的严重后果。现用的掺稀土光纤制备的光纤放大器，光纤激光器对辐射环境极为敏感，这是因为稀土大分子氧化物掺入到光纤芯部，严重破坏了纤芯的强键结构，各种射线、紫外线在芯部激发出了高能自由电子，让芯中离子改变价位、还原或被负离子捕获，产生色心，甚至原有键断裂，光纤产生高损耗，实验证明损耗可加大到百倍以上，掺稀土光纤抗辐射已成为当前急待解决的难题。西方发达国家业界学者对此的改进略有成效，但没有从根本上解决难题，仅此且还向中国保密。至今我国大量掺稀土光纤从国外进口，重要领域应用的掺稀土光纤仍被封锁。
我国是世界产稀土第一大国，也是用掺稀土光纤制备光纤放大器、光纤激光器、光纤传感器的大国之一，特别是国防所急需的“双包层高功率泵浦光纤”是制备激光武器的主体部件，被美、日等严密封锁。随着核工业、宇航技术、潜海、医疗等高新产业的迅速发展，光纤抗辐射问题则变得无处不在，尤其光纤传感(光纤陀螺、光纤水听器)、光纤放大、光纤激光等高技术领域，日趋受到了各种辐射粒子、γ、β、α射线及紫外线的挑战。特别是高分子稀土氧化物掺入光纤芯部，带来的明显结构缺陷，更成为了各种射线的攻击目标。实验和实践证明，掺稀土光纤抗辐射问题的解决已迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种抗辐射干扰能力强、保证各种光纤应用安全的抗辐射光纤的制备工艺。。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种抗辐射光纤，包括从外到内设置的外层涂层、外包层、内包层和纤芯，所述的外层涂层中包含200～1000ppm的可变价金属元素的氧化物，所述的外包层内形成包含200～500ppm的可变价金属元素的氧化物及用于将外包层的折射率与SiO2持平的氟的抗辐射层，所述的纤芯中包含与主掺杂剂同时沉积的300～800ppm的可变价金属元素的氧化物。
所述的外层涂层中包括的可变价金属元素的氧化物包含CeO2、Ce2O3、EuO、Eu2O3、TiO2、Ti2O3、PbO或PbO2，外包层中包含的可变价金属元素的氧化物包括CeO2、Ce2O3、EuO、Eu2O3、TiO2、Ti2O3、PbO或PbO2，纤芯中包含的可变价金属元素的氧化物包括CeO2、Ce2O3、EuO、Eu2O3、TiO2、Ti2O3、PbO或PbO2。
所述的外层涂层包括由内向外依次设置的光纤内涂层和光纤外涂层，包裹在光纤的外包层的外部，外层涂层的材料为高分子有机涂料。
所述的光纤的抗辐射层中还包含中间体Al2O3，其质量含量为可变价金属元素的氧化物的质量含量的20～30倍。
所述的主掺杂剂为稀土金属的氧化物，包括铒的氧化物、镱的氧化物或钕的氧化物。
一种抗辐射光纤的制备工艺，包括采用MCVD工艺制备抗辐射光纤预制棒、将预制棒拉制成光纤和光纤包覆外部涂层的步骤，其中，
外包层的沉积过程中，将汽化的硅盐、氟化物、三氯氧磷及可变价金属元素的盐、铝盐及氧气和氦气在石英管中化学反应沉积，形成包括可变价金属元素的氧化物和氟的外包层内的抗辐射层；
纤芯的沉积过程中，将汽化的硅盐、三氯氧磷及可变价金属元素的盐、铝盐及稀土金属的盐沉积形成包括可变价金属元素的氧化物和主掺杂剂的纤芯；
外层涂层为含有可变价金属元素的氧化物的高分子有机物涂料，依次涂覆在光纤的表面。
所述的硅盐为SiCl4，所述的氟化物为CCl2F2，所述的铝盐为AlCl3，所述的稀土金属的盐为稀土金属的氯化物。
与现有技术相比，本发明通过三道抗辐射防线可有效消除辐射干扰，保证各种光纤的应用安全。
第一道防线：光纤的外层涂层中，包含可变价金属元素的氧化物，，这些可变价金属元素的氧化物中的金属离子吸收了辐射能，激射出电子或产生空穴，及“色心”而发光，此涂覆层不仅可保护光纤强度，且可防各种射线的袭扰。为光纤防辐射组成了第一道防线，外辐射γ、β、X射线或紫外线在光纤的外层涂层中被抗辐射离子吸收掉，涂料其他性能应满足所制光纤的设计要求。
第二道防线：光纤的外包层内形成包含可变价金属元素的氧化物和用于将外包层的折射率与SiO2持平的氟的抗辐射层，其中SiO2的折射率n≈1.458，组成了光纤抗辐射的第二道防线，大量辐射能会被金属离子变价吸收掉。同时其中还包含中间体Al2O3。
第三道防线：纤芯中包含与主掺杂剂同时沉积的可变价金属元素的氧化物，可有效的吸收越过第一、二道防线的辐射粒子，射线或紫外线。在制备稀土光纤的设计中，要将掺入抗辐射离子这一因素列入其中，这是因为稀土氧化物这一大分子团，严重破坏了纤芯的强键结构，极大的削弱了此光纤的抗辐射性能，甚至在短期内就会产生衰变，因此需在沉积纤芯同时掺入抗辐射离子，常以掺入铈(Ce3+、Ce4+)为优先。其掺入方法与所设计掺入的主要元素同时完成，有效改善掺稀土光纤的抗扰特性，可称第三道抗辐射防线。
通信用单模光纤有很强的抗辐射性能，因为芯部掺入的GeO2仅占约3％。强大的SiO2[SiO4]四面体结构，极性共价键仍为主导，各种射线对其影响甚小。在通常环境下，可耐辐射二十年以上，如用在辐射较强的环境下，就应该加强抗辐射措施。
附图说明
图1为本发明实施例1的保偏光纤的截面示意图；
图2为本发明实施例2的光纤的截面示意图。
图中，1为光纤外涂层，2为光纤内涂层，3为石英包层，4为抗辐射层，5为芯层，6为内包层，7为应力区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种抗辐射光纤，如图1所示，包括从外到内设置的光纤外涂层1、光纤内涂层2、石英包层3、抗辐射层4、应力区7、内包层6和纤芯5，其中的石英包层3为外包层，其中，外层涂层为掺有可变价金属元素的离子的高分子有机物，含量为ppm级，其中光纤外涂层1中包含500ppm的EuO，光纤内涂层2中包含400ppm的CeO2，抗辐射层4中包含200ppm的TiO2和用于将抗辐射层4的折射率与SiO2持平的氟，纤芯5中包含质量比为3:1的Er2O3和CeO2以及用于提高纤芯折射率的GeO2，其中CeO2的含量为600ppm，GeO2的含量为300ppm。
该光纤的具体制备包括以下步骤：
(1)用Φ30×2.5×500mm光导管，刻蚀内层后，沉积薄层SiO2，形成石英包层；
(2)沉积抗辐射层：控制沉积温度为1800～1900℃，在Φ30×2.5×500mm的反应管内，通入汽化的SiCl4(600mL/min)、TiCl4(30mL/min)、POCl3(60mL/min)、CCl2F2(8mL/min)和O2(2000mL/min)反应生成包含TiO2和氟的抗辐射层；
(3)沉积应力区层：通入SiCl4(600mL/min)，POCl3(60mL/min)，O2(2000mL/min)，He(1800mL/min)形成应力区层并通入SF6蚀刻出相对于光导管中心对称的呈熊猫型的应力区；
(4)沉积内包层：通入SiCl4(300mL/min)、POCl3(30mL/min)、和O2(1600mL/min)在1800℃的反应生成SiO2和P2O5；
(5)沉积纤芯：控制沉积温度为1700℃，通入汽化的SiCl4(28mL/min)、GeCl4(35mL/min)、A1Cl3(80mL/min)、POCl3(30mL/min)、CeCl3(8mL/min)和O2(1000mL/min)及He(800mL/min)，反应生成包含主掺杂剂Er2O3同时含GeO2和Ce2O3的纤芯。
(6)缩棒和拉丝，在2000-2300℃的温度下烧缩，得到抗辐射光纤预制棒，经拉丝检测，调整各组分比例，将合格的预制棒拉丝。
(7)外层涂层为含有可变价金属元素的氧化物的高分子有机物涂料，依次涂覆在光纤的表面。
本发明通过在外层涂层、外包层和纤芯中添加能够起到抗辐射作用的物质，从而构成三道抗辐射防线，能够起到有效的抗辐射作用。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例的光纤结构中不包括应力区7。本发明通过在外层涂层、外包层和纤芯中添加能够起到抗辐射作用的物质，从而构成三道抗辐射防线，能够起到有效的抗辐射作用。
实施例3
本实施例与实施例1步骤相似，通过控制通入的生成沉积物的气态原料的流量，制备的光纤的光纤外涂层1中包含200ppm的Ce2O3，光纤内涂层2中包含600ppm的PbO，抗辐射层4中包含300ppm的CeO2和用于将抗辐射层4的折射率与SiO2持平的氟，纤芯5中包含质量比为3:1的Yb2O3和CeO2以及用于提高纤芯折射率的GeO2，其中CeO2的含量为300ppm，GeO2的含量为400ppm。
实施例4
本实施例与实施例1步骤相似，通过控制通入的生成沉积物的气态原料的流量，制备的光纤的光纤外涂层1中包含100ppm的TiO2，光纤内涂层2中包含700ppm的CeO2，抗辐射层4中包含500ppm的Eu2O3和用于将抗辐射层4的折射率与SiO2持平的氟，纤芯5中包含质量比为3:1的Yb2O3和PbO以及用于提高纤芯折射率的GeO2，其中PbO的含量为800ppm，GeO2的含量为200ppm。

Claims (3)

1.一种抗辐射光纤，包括从外到内设置的外层涂层、外包层、内包层和纤芯，其特征在于，所述的外层涂层中包含200～1000ppm的可变价金属元素的氧化物，所述的外包层内形成包含200～500ppm的可变价金属元素的氧化物及用于将外包层的折射率与SiO2持平的氟的抗辐射层，所述的纤芯中包含与主掺杂剂同时沉积的300～800ppm的可变价金属元素的氧化物；
外层涂层中包含的可变价金属元素的氧化物包括CeO2、Ce2O3、EuO、Eu2O3、TiO2、Ti2O3、PbO或PbO2，
外包层中包含的可变价金属元素的氧化物包括CeO2、Ce2O3、EuO、Eu2O3、TiO2、Ti2O3、PbO或PbO2，
纤芯中包含的可变价金属元素的氧化物包括CeO2、Ce2O3、EuO、Eu2O3、TiO2、Ti2O3、PbO或PbO2；
所述的外层涂层包括由内向外依次设置的光纤内涂层和光纤外涂层，包裹在光纤的外包层的外部，外层涂层的材料为高分子有机涂料；
所述的光纤的抗辐射层中还包含中间体Al2O3，其质量含量为可变价金属元素的氧化物的质量含量的20～30倍；
所述的主掺杂剂为稀土金属的氧化物，包括铒的氧化物、镱的氧化物或钕的氧化物。
2.如权利要求1所述的一种抗辐射光纤的制备工艺，包括采用MCVD工艺制备抗辐射光纤预制棒、将预制棒拉制成光纤和光纤包覆外部涂层的步骤，其特征在于，其中，
外包层的沉积过程中，将汽化的硅盐、氟化物、三氯氧磷及可变价金属元素的盐、铝盐及氧气和氦气在石英管中化学反应沉积，形成包括可变价金属元素的氧化物和氟的外包层内的抗辐射层；
纤芯的沉积过程中，将汽化的硅盐、三氯氧磷及可变价金属元素的盐、铝盐及稀土金属的盐沉积形成包括可变价金属元素的氧化物和主掺杂剂的纤芯；
外层涂层为含有可变价金属元素的氧化物的高分子有机物涂料，依次涂覆在光纤的表面。
3.根据权利要求2所述的一种抗辐射光纤的制备工艺，其特征在于，所述的硅盐为SiCl4，所述的氟化物为CCl2F2，所述的铝盐为AlCl3，所述的稀土金属的盐为稀土金属的氯化物。
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