CN109180010B

CN109180010B - 一种高增益的Tm3+/Ho3+共掺多组分锗酸盐玻璃单模光纤及其制备方法

Info

Publication number: CN109180010B
Application number: CN201811006133.4A
Authority: CN
Inventors: 杨中民; 唐国武; 钱奇
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2038-08-30
Also published as: CN109180010A

Abstract

本发明提供一种高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤及其制备方法。光纤由一种多组分锗酸盐玻璃组成，纤芯中优选掺有质量百分比为5%的Tm₂O₃和1.25%Ho₂O₃。制备方法分别熔制大块包层和纤芯玻璃，熔制期间通高纯O₂进行气氛保护，并通Cl₂进行除水，搅拌。采用传统的管棒法拉制单模光纤，先将熔制的大块锗酸盐玻璃采用机械冷加工成设计的尺寸，随后将芯棒进行一次拉丝获得纤芯细棒，最后将纤芯细棒和包层玻璃管组成光纤预制棒在拉丝塔进行拉丝。本发明的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤在2.05μm处的增益高达3.5 dB/cm，有望应用于高功率和超紧凑的单频光纤激光器以及高重频光纤激光器等领域。

Description

一种高增益的Tm3+/Ho3+共掺多组分锗酸盐玻璃单模光纤及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤及其制备方法。

背景技术

2 μm波段（1.9-2.5 μm）激光位于人眼安全范围内，水在该波段具有强的吸收峰，同时处于大气透过窗口之一，在激光雷达、大气监测、激光医疗、遥感以及中红外激光器的泵浦源等军事和民用上具有广泛的应用。然而，传统的石英光纤的稀土离子溶解度低，2.05μm波段石英光纤的单位增益较低。多组分玻璃具有较高的稀土溶解度，受到研究人员的广泛关注。硅酸盐玻璃的声子能量较高（~ 1100 cm^-1），红外透过范围较窄（~ 3.5 μm），其2 μm波段发光效率低；碲酸盐玻璃机械加工性能差，抗激光损伤阈值低，与常规光纤熔接困难；氟化物玻璃化学稳定性和机械强度差，制备条件苛刻，抗激光损伤阈值低。这几种多组分玻璃都具有明显的缺陷，而锗酸盐玻璃具有良好的红外透过性能（~ 6 μm、较低的声子能量（~900 cm^-1）、高的折射率（~ 1.7）、良好的物化性能和机械加工性能，是2.05 μm光纤激光器理想的基质材料。然而，锗酸盐玻璃抗析晶性能较差，采用传统的管棒法拉制光纤时，纤芯玻璃经过两次热拉过程，纤芯玻璃会析晶，从而会增大光纤损耗，导致光纤增益较低。其次，锗酸盐玻璃中OH^-含量大，OH^-作为荧光猝灭中心，会大大降低其中红外2 μm的发光，从而降低增益。因此，制备高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤需要进行高掺杂Tm³⁺/Ho³⁺，同时克服析晶和减少OH^-的含量。然而，目前报道的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤的增益较低（<2.5 dB/cm）。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤，此光纤在2.05 μm处的单位增益高达3.5 dB/cm。本发明的另一目的在于提供上述高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤的制备方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺多组分锗酸盐玻璃单模光纤，单模光纤包层为多组分锗酸盐玻璃，纤芯为Tm³⁺/Ho³⁺共掺杂的多组分锗酸盐玻璃。

进一步地，所述纤芯和包层中的多组分锗酸盐玻璃均包括：BaO、Ga₂O₃、GeO₂、La₂O₃、Y₂O₃和Lu₂O₃组分。

进一步地，多组分锗酸盐玻璃中各氧化物组成的质量百分比为：BaO 5~10 %、Ga₂O₃7~15 %、La₂O₃ 5~10%、Y₂O₃ 1~5 %、Lu₂O₃ 1~5 %，余量为GeO₂。

进一步地，纤芯中的多组分锗酸盐玻璃掺有质量百分比为3~5 %的Tm₂O₃和0.5~1.25 % Ho₂O₃。

进一步地，此单模光纤的截止波长为1.8 μm，在2.05 μm处的单位增益为3~3.5dB/cm之间。

本发明提供的制备所述一种高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺多组分锗酸盐玻璃单模光纤的方法，其包括如下步骤：

（1）按各氧化物组成的质量百分比称取包层和纤芯玻璃原料，多组分锗酸盐玻璃包括：BaO 5~10 %，Ga₂O₃ 7~15 %，La₂O₃ 5~10%，Y₂O₃ 1~5 %，Lu₂O₃ 1~5 %，GeO₂余量；纤芯玻璃需掺有质量百分比为3~5 %的Tm₂O₃和0.5~1.25 % Ho₂O₃；

（2）分别熔制包层和纤芯玻璃，将称取的相应原料放入玛瑙研钵中充分混合，然后倒入刚玉坩埚中，在1350~1450 ℃进行熔制；熔制时间为5~7 小时，熔制期间通O₂进行气氛保护，并通Cl₂进行除水，再经搅拌、均化、澄清，得到玻璃液，然后倒入预先加热的铜模具中成型，并迅速转至退火炉中进行精密退火；

（3）按照管棒法确定光纤预制棒的尺寸，然后采用机械冷加工熔制的块锗酸盐玻璃，芯棒和包层玻璃管都经物理和化学抛光；将芯棒进行一次拉丝得到纤芯细棒，然后将细棒和包层玻璃管组装成预制棒，在拉丝塔进行拉丝；拉丝过程中抽真空，排除纤芯和包层间隙中的空气。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明的高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤可实现Tm³⁺和Ho³⁺的高掺杂（优选质量百分比为5 %的Tm₂O₃和1.25 % Ho₂O₃），远高于Tm³⁺和Ho³⁺在石英光纤中的掺量。并且该锗酸盐玻璃抗析晶稳定性好，纤芯玻璃经二次拉丝后没有产生析晶。

（2）本发明的高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤的OH^-含量低，在玻璃熔制过程通高纯O₂进行气氛保护，同时通Cl₂进行反应气氛法除水，在光纤拉制过程中抽真空排除纤芯和包层间隙中的空气。

（3）本发明的高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤在2.05 μm处的单位增益为3.5 dB/cm，有望应用于高功率和超紧凑的单频光纤激光器以及高重频光纤激光器等领域。

附图说明

图1为本发明制备的高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤的荧光光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做更详细地描述，但本发明的实施方式不限于此，需指出的是，以下若有特别说明的工艺参数，可参照常规技术进行，总质量（如总质量100g）等可以为根据实际规模而定。

实施例1：一种高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤的制备过程如下：

（1）按各氧化物组成的质量百分比称取包层和纤芯玻璃原料：BaO 5 %，Ga₂O₃ 15%，La₂O₃ 5%，Y₂O₃ 5 %，Lu₂O₃ 1 %，GeO₂余量。纤芯玻璃掺有质量百分比为5 %的Tm₂O₃和1.25% Ho₂O₃。

（2）分别熔制包层和纤芯玻璃，将步骤（1）称取的相应原料（包层或纤芯玻璃）放入玛瑙研钵中充分混合，然后倒入刚玉坩埚中，在1350 ℃进行熔制。熔制时间为5 小时，熔制期间通高纯O₂进行气氛保护，并通30分钟Cl₂进行除水，再经搅拌、均化、澄清，得到玻璃液，然后倒入预先加热的铜模具中成型，并迅速转至退火炉中进行精密退火，在600 ℃保温1000分钟，然后随炉冷却至室温。

（3）按照管棒法来设计光纤预制棒的尺寸，确定纤芯细棒的尺寸为1.85 mm，包层玻璃的外径为27.5 mm。然后采用机械冷加工熔制的锗酸盐玻璃，芯棒和包层玻璃管都经物理和化学抛光。将芯棒进行一次拉丝得到直径为1.8 mm纤芯细棒。然后将细棒插入包层玻璃管的中心孔（直径1.9 mm）中组装成预制棒，在拉丝塔进行拉丝，拉丝温度为1000 ℃。拉丝过程中抽真空，排除纤芯和包层间隙中的空气。所述锗酸盐玻璃抗析晶稳定性好，纤芯玻璃经二次拉丝后没有产生析晶。光纤荧光光谱图如图1所示，在1600~2200 nm范围内具有宽带的发光。采用小信号增益测试的方法测得拉制的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤在2.05处的单位增益高达3.5 dB/cm。

实施例2：一种高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤的制备过程如下：

（1）按各氧化物组成的质量百分比称取包层和纤芯玻璃原料：BaO 10 %，Ga₂O₃ 7%，La₂O₃10%，Y₂O₃ 1 %，Lu₂O₃ 5 %，GeO₂余量。纤芯玻璃掺有质量百分比为5 %的Tm₂O₃和1.25 %Ho₂O₃。

（2）分别熔制包层和纤芯玻璃，将步骤（1）称取的相应原料（包层或纤芯玻璃）放入玛瑙研钵中充分混合，然后倒入刚玉坩埚中，在1450 ℃进行熔制。熔制时间为7 小时，熔制期间通高纯O₂进行气氛保护，并通30分钟Cl₂进行除水，再经搅拌、均化、澄清，得到玻璃液，然后倒入预先加热的铜模具中成型，并迅速转至退火炉中进行精密退火，在600 ℃保温1000分钟，然后随炉冷却至室温。

（3）按照管棒法来设计光纤预制棒的尺寸，确定纤芯细棒的尺寸为1.85 mm，包层玻璃的外径为27.5 mm。然后采用机械冷加工熔制的锗酸盐玻璃，芯棒和包层玻璃管都经物理和化学抛光。将芯棒进行一次拉丝得到直径为1.8 mm纤芯细棒。然后将细棒插入包层玻璃管的中心孔（直径1.9 mm）中组装成预制棒，在拉丝塔进行拉丝，拉丝温度为960 ℃。拉丝过程中抽真空，排除纤芯和包层间隙中的空气。光纤荧光光谱图和增益可参照图1和实施例1。

实施例3：一种高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺锗酸盐玻璃单模光纤的制备过程如下：

（1）按各氧化物组成的质量百分比称取包层和纤芯玻璃原料：BaO 7 %，Ga₂O₃ 10%，La₂O₃ 7%，Y₂O₃ 2%，Lu₂O₃ 3 %，GeO₂余量。纤芯玻璃掺有质量百分比为3 %的Tm₂O₃和0.5 %Ho₂O₃。

（2）分别熔制包层和纤芯玻璃，将步骤（1）称取的相应原料（包层或纤芯玻璃）放入玛瑙研钵中充分混合，然后倒入刚玉坩埚中，在1400 ℃进行熔制。熔制时间为5 小时，熔制期间通高纯O₂进行气氛保护，并通30分钟Cl₂进行除水，再经搅拌、均化、澄清，得到玻璃液，然后倒入预先加热的铜模具中成型，并迅速转至退火炉中进行精密退火，在600 ℃保温1000分钟，然后随炉冷却至室温。

（3）按照管棒法来设计光纤预制棒的尺寸，确定纤芯细棒的尺寸为1.85 mm，包层玻璃的外径为27.5 mm。然后采用机械冷加工熔制的大块锗酸盐玻璃，芯棒和包层玻璃管都经物理和化学抛光。将芯棒进行一次拉丝得到直径为1.8 mm纤芯细棒。然后将细棒插入包层玻璃管的中心孔（直径1.9 mm）中组装成预制棒，在拉丝塔进行拉丝，拉丝温度为960~1000 ℃。拉丝过程中抽真空，排除纤芯和包层间隙中的空气。光纤荧光光谱图和增益可参照图1和实施例1。

Claims

1.一种高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺多组分锗酸盐玻璃单模光纤，其特征在于：单模光纤包层为多组分锗酸盐玻璃，纤芯为Tm³⁺/Ho³⁺共掺杂的多组分锗酸盐玻璃；所述纤芯和包层中的多组分锗酸盐玻璃均包括：BaO、Ga₂O₃、GeO₂、La₂O₃、Y₂O₃和Lu₂O₃组分；多组分锗酸盐玻璃中各氧化物组成的质量百分比为：BaO 5～10％、Ga₂O₃ 7～15％、La₂O₃ 5～10％、Y₂O₃ 1～5％、Lu₂O₃ 1～5％，余量为GeO₂。

2.根据权利要求1所述的一种高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺多组分锗酸盐玻璃单模光纤，其特征在于：纤芯中的多组分锗酸盐玻璃掺有质量百分比为3～5％的Tm₂O₃和0.5～1.25％Ho₂O₃。

3.根据权利要求1所述的一种高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺多组分锗酸盐玻璃单模光纤，其特征在于：纤芯中的多组分锗酸盐玻璃掺有质量百分比为5％的Tm₂O₃和1.25％Ho₂O₃。

4.根据权利要求1所述的一种高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺多组分锗酸盐玻璃单模光纤，其特征在于：此单模光纤的截止波长为1.8μm，在2.05μm处的单位增益为3～3.5dB/cm之间。

5.制备权利要求1～4任一项所述一种高增益的Tm³⁺/Ho³⁺共掺多组分锗酸盐玻璃单模光纤的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)按各氧化物组成的质量百分比称取包层和纤芯玻璃原料，多组分锗酸盐玻璃包括：BaO 5～10％，Ga₂O₃ 7～15％，La₂O₃ 5～10％，Y₂O₃ 1～5％，Lu₂O₃ 1～5％，GeO₂余量；纤芯玻璃需掺有质量百分比为3～5％的Tm₂O₃和0.5～1.25％Ho₂O₃；

(2)分别熔制包层和纤芯玻璃；将称取的相应原料放入玛瑙研钵中充分混合，然后倒入刚玉坩埚中，在1350～1450℃进行熔制；熔制时间为5～7小时，熔制期间通O₂进行气氛保护，并通Cl₂进行除水，再经搅拌、均化、澄清，得到玻璃液，然后倒入预先加热的铜模具中成型，并迅速转至退火炉中进行精密退火；

(3)按照管棒法确定光纤预制棒的尺寸，然后采用机械冷加工熔制的块锗酸盐玻璃，芯棒和包层玻璃管都经物理和化学抛光；将芯棒进行一次拉丝得到纤芯细棒，然后将细棒和包层玻璃管组装成预制棒，在拉丝塔进行拉丝；拉丝过程中抽真空，排除纤芯和包层间隙中的空气。