CN108456926B - 一种晶体包层内生长晶体光纤纤芯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种晶体包层内生长晶体光纤纤芯的方法，包括以下步骤：(1)采用微孔晶体生长方法得到长度40‑160mm的微孔晶体，微孔晶体内径小于等于1mm，或者用机械加工的方法在晶体棒中心打孔得到带有微孔的微孔晶体；(2)将步骤(1)得到的微孔晶体安装在微下拉炉籽晶杆上；(3)坩埚内装入1‑2g原料；(4)升温熔化坩埚内的原料；(5)籽晶杆上升，使微孔晶体接触坩埚底的小孔，坩埚内的熔体即在重力和毛细作用下进入微孔晶体的孔内；(6)控制后加热器的温度以100‑300℃/h的降温速率降到室温，完成整个长晶过程。与现有技术相比，本发明使晶体芯和晶体包层无缝连接，获得均匀的折射率分布，从而有能获得高功率的晶体光纤激光器。
Description
技术领域
本发明属于晶体材料制备技术领域，涉及一种高功率光纤激光器光纤及包层的制作工艺。
背景技术
石英光纤在光通讯方面做出了卓越贡献，也有人想用它做高功率激光器以解决目前高功率激光器面临的热效应的问题，热效应会导致热退偏、热致衍射损耗等问题，严重影响激光器的输出功率、转换效率以及光束质量等主要性能指标，严重时甚至引起增益介质的损坏，是高功率激光器性能的最主要限制因素。为缓解热效应带来的影响，相关领域的技术人员通过采用板条、DISK和光纤等形式的增益介质，增加增益介质的表面积体积比，大幅提高散热效率，从而极大地推进了激光器的功率输出能力。与板条和DISK激光器相比，光纤激光器具有如下几方面的优势：其泵浦结构较为简单；光纤本身的结构对于模式的限制作用使之在光束质量方面也存在明显优势；能够采用光纤耦合输出，应用环境适应性很好；基于这些优点，光纤激光器已成为高功率激光器的主要发展方向之一。然而，高功率光纤激光器发展的一个明显障碍在于，目前广泛用作有源光纤基质的石英玻璃导热系数很小，仅为1.4-1.6Wm-1K-1，小导热系数对散热带来巨大的不利影响，因此光纤激光器高功率运转时仍然对于制冷有较高的要求，也限制了其功率的继续提升。对于单晶激光增益介质而言，常用的激光晶体钇铝石榴石(YAG)晶体导热系数～14Wm-1K-1，铝酸钇(YAP)晶体的导热系数也超过～11Wm-1K-1，高于石英玻璃数倍；因此，可考虑采用单晶作为有源光纤的基质，利用其高导热系数改善光纤本身的散热性能，降低系统对于制冷的要求，简化系统的复杂性，提升激光器的功率和光束质量等输出性能指标。目前已经有成熟的技术来生长单晶光纤，包括导模法、微下拉法、激光基座加热法等，可生长的单晶光纤直径最小20μm，弗吉尼亚理工大学用浓硫酸和浓磷酸腐蚀光纤，得到了直径为800nm的蓝宝石光纤。
然而，几乎所用的光纤都需要包层，不仅仅只为了将光束限制在光纤内部，也是为了将光纤和周围环境隔开以保持光纤的完整性，包层也可以用来增加光纤的强度，对于石英光纤，做光纤包层是通过将石英管和石英纤芯套在一起制成预制棒，在光纤拉丝塔里共拉成型的，因为石英加热到软化以后有一个介于固态和液态之间的软化态存在，已掺入纤芯中的掺杂剂不会扩散，保持原预制棒中的折射率分布，而对于晶体光纤，由于晶体熔化以后呈液态，可以自由扩散，这样芯棒中掺杂的离子就有可能扩散到管棒中去，管棒作为光纤包层不允许存在掺杂离子，所以，用制作石英包层的方法制作晶体包层不可取。国内外单位都在尝试溶胶凝胶制作晶体光纤包层，并没有取得实质性的进展，因为溶胶凝胶的效率实在太低，10次溶胶凝胶以后才制得5μm厚度的包层，离最终可用的厚度200-300μm相距甚远，并且通过溶胶凝胶制得的包层很容易开裂。目前国内外并没有成熟的晶体光纤包晶体包层的工艺报道，有报道采用晶体芯，石英包层的，是将晶体芯包在石英管里用共拉激光基座加热法制得，并获得了良好的光束质量，但对激光功率的放大没有多大作用，美国US ArmyResearch Laboratory和ONYX Optics公司转而开始研究平面导波---即将芯棒和包层横截面做成了方形，芯和包层之间用热键合的方式紧密贴合，真正做到了全晶体光纤，但这种热键合的工艺合格率并不高。
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可以保证纤芯和包层之间完整的界面，保证折射率分布的均匀性的晶体包层内生长晶体光纤纤芯的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种晶体包层内生长晶体光纤纤芯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用微孔晶体生长方法得到长度40-160mm的微孔晶体，微孔晶体内径小于等于1mm，或者用机械加工的方法在晶体棒中心打孔得到带有微孔的微孔晶体；
(2)将步骤(1)得到的微孔晶体安装在微下拉炉籽晶杆上；
(3)坩埚内装入1-2g原料；
(4)升温熔化坩埚内的原料；
(5)籽晶杆上升，使微孔晶体接触坩埚底的小孔，坩埚内的熔体即在重力和毛细作用下进入微孔晶体的孔内；
(6)控制后加热器的温度以100-300℃/h的降温速率降到室温，完成整个长晶过程。
步骤(1)所述的微孔晶体生长方法为专利申请201410765560.6记载的一种导模法生长微孔蓝宝石晶体的生长方法。
步骤(3)所用坩埚材质为铱、铂或铼。
步骤(3)所述的坩埚内的原料和微孔晶体基质相同并掺杂了0.05％-50％原子浓度的稀土离子。
所述的后加热器的长度40-160mm。
与现有技术相比，本发明晶体纤芯包晶体包层的解决方案，即晶体包层内生长光纤纤芯的方法，由于晶体纤芯和包层材料相同，热膨胀系数一致，高温下工作时避免了热应力的产生，通过控制掺杂离子的浓度调控纤芯折射率值，保证纤芯和包层折射率差值小于10-3，可以获得超低数值孔径的晶体光纤，从而保证良好的激光束质量，由于坩埚内流入晶体包层内孔的热量不足以熔化晶体管的内壁，可以保证纤芯和包层之间完整的界面，保证折射率分布的均匀性，实现真正的全晶体光纤激光器，有望将单根光纤的输出功率提高到50kw。
附图说明
图1为本发明微下拉炉内生长过程示意图。
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
一种全晶体光纤及包层制作工艺采用了如图1所示微下拉炉装置，包括炉体侧壁设置的保温层1、保温层1外设置的感应线圈2，设置在炉体底部的石英支撑柱9，石英支撑柱9上方设有加热器3，内部设有籽晶杆8，晶体管安装到籽晶杆8并穿过加热器3，并在后加热器7和保温层1相同高度位置处设置观察窗口5。
采用上述装置制作全晶体光纤及包层的具体步骤如下：
(1)采用微孔晶体生长方法得到长度40-160mm的纯YAG微孔晶体6，微孔晶体内径小于等于1mm，或者用机械加工的方法在纯YAG晶体棒中心打孔得到带有微孔的纯YAG微孔晶体6；
(2)将步骤1得到的纯YAG微孔晶体6安装在微下拉炉籽晶杆8上；
(3)坩埚内装入1-2g掺杂稀土离子的YAG原料；
(4)升温熔化坩埚内的YAG原料；
(5)籽晶杆8上升，使纯YAG微孔晶体6接触坩埚底的小孔，坩埚内的YAG熔体4即在重力和毛细作用下进入微孔晶体的孔内；
(6)控制后加热器7的温度以100-300℃/h的降温速率降到室温，完成整个长晶过程。
实施例2
一种全晶体光纤及包层制作工艺采用了如图1所示微下拉炉装置，包括炉体侧壁设置的保温层1、保温层1外设置的感应线圈2，设置在炉体底部的石英支撑柱9，石英支撑柱9上方设有加热器3，内部设有籽晶杆8，晶体管安装到籽晶杆8并穿过加热器3，并在后加热器7和保温层1相同高度位置处设置观察窗口5。
采用上述装置制作全晶体光纤及包层的具体步骤如下：
(1)采用微孔晶体生长方法得到长度40-160mm的纯YAG微孔晶体，微孔晶体内径小于等于1mm，或者用机械加工的方法在纯YAG晶体棒中心打孔得到带有微孔的YAG晶体管；
(2)用导模法或微下拉或激光加热基座的方法生长直径小于微孔晶体内径0.05-0.2mm的掺杂稀土离子的光纤；
(3)将第二步得到的晶体光纤插入到第一步得到的微孔晶体内，两者之间会有0.01-0.2mm的间隙；
(4)坩埚内装入1-2g纯YAG原料；
(5)将步骤3得到的纯YAG微孔晶体和晶体光纤组合安装在微下拉炉籽晶杆上；升温熔化坩埚内的YAG原料；
(6)籽晶杆上升，使YAG微孔晶体和光纤组合接触坩埚底的小孔，坩埚内的YAG熔体4即在重力和毛细作用下进入微孔晶体和光纤之间的缝隙内；
(7)控制后加热器7的温度以100-300℃/h的降温速率降到室温，完成整个长晶过程。
Claims (4)
1.一种晶体包层内生长晶体光纤纤芯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用微孔晶体生长方法得到长度40-160mm的微孔晶体，微孔晶体内径小于等于1mm，或者用机械加工的方法在晶体棒中心打孔得到带有微孔的微孔晶体；
(2)将步骤(1)得到的微孔晶体安装在微下拉炉籽晶杆上；
(3)坩埚内装入1-2g原料；
(4)升温熔化坩埚内的原料；
(5)籽晶杆上升，使微孔晶体接触坩埚底的小孔，坩埚内的熔体即在重力和毛细作用下进入微孔晶体的孔内；
(6)控制后加热器的温度以100-300℃/h的降温速率降到室温，完成整个长晶过程。
2.根据权利要求1所述的一种晶体包层内生长晶体光纤纤芯的方法，其特征在于，步骤(3)所用坩埚材质为铱、铂或铼。
3.根据权利要求1所述的一种晶体包层内生长晶体光纤纤芯的方法，其特征在于，步骤(3)所述的坩埚内的原料和微孔晶体基质相同并掺杂了0.05％-50％原子浓度的稀土离子。
4.根据权利要求1所述的一种晶体包层内生长晶体光纤纤芯的方法，其特征在于，所述的后加热器的长度40-160mm。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20200814 |