CN110606657A - 一种大芯径稀土掺杂光纤预制棒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大芯径稀土掺杂光纤预制棒及其制备方法，该方法包括：在首管末端的第一预设位置处烧塌第一凹槽，在第一凹槽后开孔，并将进料管与开设的孔连接；将首管与反应管进行熔接，将熔接好的反应管与尾管相连；在反应管内表面沉积疏松层，在反应管末端的第二预设位置处塌缩第二凹槽；从进料管注入稀土掺杂溶液后，密封进料管的进料口，旋转反应管让稀土掺杂溶液充分浸透疏松层；将反应管与尾管分离，并将浸透好疏松层的剩余稀土掺杂溶液排出，将反应管内的多余稀土掺杂溶液吹干，以完成掺杂；将掺杂好稀土溶液的反应管内的疏松层进行玻璃化，并重复沉积疏松层及掺杂操作，直至制备得到满足需要的光纤预制棒。本发明方法效率高、操作简单。

Description

一种大芯径稀土掺杂光纤预制棒及其制备方法

技术领域

本发明属于特种光纤制备领域，更具体地，涉及一种大芯径高掺杂效率和高掺杂均匀性的稀土掺杂光纤预制棒及其制备方法。

背景技术

光纤激光器具有散热性能好、效率高、光束质量好、体积小及重量轻等优点，在材料加工、智能制造、医疗、国防等领域展现出极其广阔的应用前景和巨大的应用价值。各种放大器或者激光器的核心是增益介质稀土类掺杂光纤，因此各种稀土类掺杂光纤的高效率制作成为促进光纤激光器发展的一项关键技术。

改进的化学气相沉积法(Modified Chemical Vapor Deposition，MCVD)制备掺杂稀土光纤预制棒是目前广泛使用的方式。通过MCVD气相沉积工艺进行有源光纤预制棒制备的主要掺杂方式有气相掺杂法、溶胶-凝胶浸涂法及液相浸泡法等。

其中，气相掺杂法属于在线掺杂方式，不需要中途将沉积用石英管卸下MCVD车床，稀土离子的掺杂直接通过气相直接沉积掺杂，可以保证整个方法过程中的高度清洁还能制备大芯径的光纤预制棒。但是由于稀土离子的饱和蒸汽压过高，所以气化稀土离子控制和设备都比较复杂，设备成本较为昂贵且很难保证光纤预制棒纵向的掺杂均匀性导致难以实现高效率的量产。溶胶-凝胶浸涂法则是预先将稀土氧化物与二氧化硅纳米颗粒混合均匀然后均匀涂抹在二氧化硅玻璃管内表面上，最后再采用MCVD技术制成光纤预制棒。该方法省略了通过溶液掺杂技术或者其它方法将稀土离子引入疏松粉末层中的步骤，并且避免了稀土离子微晶和团簇的形成也可以制备大芯径的光纤预制棒，但是由于该方法需要精密的控制技术且所制备的预制棒纤芯纯度较难达到光纤级标准所以容易导致光纤具有较大的附加损耗。液相掺杂是普遍使用的掺杂方式，通过将MCVD在反应管内部沉积的疏松孔隙浸泡在稀土离子和共掺离子混合溶液中实现掺杂。有两种选择方式，一种是液相的在线掺杂，不把沉积好疏松层的反应管取下车床直接在线掺杂，这种方式可以避免反应管从车床上拉下又焊接的过程提高反应管管内洁净度。但是这种将稀土离子注入反应管内的操作手段比较复杂且容易将与反应管尾端相连的尾管(在MCVD沉积中将石英管两端接上普通高纯石英管，进气端叫首管，出气端叫尾管)里面的废料引入反应管内导致污染，而且这种方法不易将注入反应管内浸泡好后剩余的稀土溶液吸出容易产生析晶现象。另一种方式是将反应管从车床取下，浸泡好稀土溶液后重新安装在车床上，这个方法需要将整个疏松层浸泡到稀土溶液中，这需要大量的稀土溶液而且一次浸泡后由于溶液污染不能重复利用。同时由于稀土掺杂离子浸泡在竖着的反应管内时由于不同深度具有不同的压力，所以在浸泡时会造成预制棒掺杂的纵向不均匀。并且对疏松层孔隙层质量要求非常严格，疏松层孔隙层太薄，掺杂浓度小，疏松层孔隙层太厚容易脱落并且掺杂不均匀。在反应管成棒时由于稀土离子和共掺离子集中在纤芯中心，在高温塌缩时容易出现掺杂离子的团簇或微晶，使得掺杂不均匀。

随着当前双包层有源光纤技术的发展，特别是光纤激光器的发展，对有源光纤的需求越来越大，产业化的光纤激光器需要稳定的有源光纤保证，需要在掺杂浓度、掺杂均匀性、背景损耗良好的基础上将光纤预制棒掺杂的纤芯直径进一步改善。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大芯径稀土掺杂光纤预制棒及其制备方法，由此解决现有通过MCVD气相沉积工艺进行有源光纤预制棒制备存在的无法有效保证掺杂浓度、掺杂均匀性及背景损耗的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种大芯径稀土掺杂光纤预制棒的制备方法，包括：

在首管末端的第一预设位置处烧塌第一凹槽，然后在所述第一凹槽后方开孔，并将进料管与开设的孔连接；

将所述首管与反应管进行熔接，并将熔接好的反应管与尾管相连；

在所述反应管内表面沉积疏松层，在所述反应管末端的第二预设位置处塌缩第二凹槽，以使注入所述反应管内的稀土掺杂溶液停留在所述反应管内不溢出；

从所述进料管注入稀土掺杂溶液后，密封所述进料管的进料口，旋转所述反应管让所述稀土掺杂溶液充分浸透所述疏松层；

将所述反应管与所述尾管分离，并将浸透好疏松层的剩余稀土掺杂溶液排出，并将所述反应管内的多余稀土掺杂溶液吹干，以完成掺杂；

将掺杂好稀土溶液的反应管内的疏松层进行玻璃化，并重复沉积疏松层及掺杂操作，直至制备得到满足芯径需要的光纤预制棒。

优选地，所述凹槽的深度需要大于每趟的沉积厚度与总趟数的乘积，且小于所述凹槽的宽度在至r₀之间，其中，r₀表示反应管的半径。

优选地，通过四氟转接头将熔接好的反应管与尾管相连。

优选地，所述疏松层的沉积温度在1600℃～1730℃之间，沉积时所述反应管内的气体流速在0.012m/s～0.022m/s之间。

优选地，在沉积所述疏松层时，火焰燃烧的移动速度在100mm/min～150mm/min之间，热区长度在16cm～25cm之间。

优选地，所述反应管的旋转速度在20r/min～35r/min之间。

优选地，所述旋转所述反应管让所述稀土掺杂溶液充分浸透所述疏松层之前，所述方法还包括：

将所述反应管末端进行密封，并向所述反应管内通入气体，其中，所述气体的流量在0.003m/s～0.005m/s之间。

优选地，所述玻璃化的温度在1850℃～1950℃之间。

优选地，在沉积m趟疏松层时光纤预制棒的纤芯直径为：其中，h_m为制备m趟光纤预制棒的纤芯直径，r₁为沉积一趟时光纤预制棒纤芯的半径。

优选地，所述将进料管与开设的孔连接之后，所述方法还包括：将所述进料管的进料口密封。

按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述任意一项所述的稀土掺杂光纤预制棒的制备方法制备得到的稀土掺杂光纤预制棒。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、操作简单方便，首管制备好后可以重复利用，接头每次清洗干净后也可以重复利用。在每次沉积好疏松层后只要通过细玻璃管将等量稀土溶液注入反应管内旋转浸泡即可完成掺杂，然后可拆卸接头方便反应管内剩余溶液的处理避免出现析晶或者团簇效应还可以避免将尾管内废弃二氧化硅粉尘引入反应管；

2、可以有效节约燃料成本和稀土离子溶液。预制棒纤芯直径的增加只需多重复疏松层的沉积、溶液浸泡和疏松层玻璃化这几个流程，最后只需将反应管塌缩成实心预制棒即可。但是对于常规相同趟数预制棒制备则需要将多根反应管塌缩成实心预制棒，而在预制棒制备过程中塌缩预制棒需要消耗大量的燃料，所以本发明可以节约大量的燃料成本；本发明在疏松层浸泡溶液时只需在每趟注入少量的稀土溶液无需将整个反应管都浸泡在稀土溶液中所以可以大幅度减小稀土溶液的使用，而高纯稀土离子原料十分昂贵，所以本发明还可以大大节省掺杂光纤的制作成本；

3、本发明制备的光纤预制棒具有更大的纤芯直径而且纤芯直径可以精确控制满足大规模生产的要求，通过精确控制疏松层沉积温度和反应管内气体流量大小、溶液浸泡和疏松层玻璃化这几个流程即可精确制备出大芯径光纤预制棒。最后套上合适的套管即可拉制更多的特种光纤，大大提高单根预制棒出纤数量。

4、纵向及轴向掺杂均匀性好。由于反应管是水平放置的，稀土溶液可以均匀的覆盖疏松层，可以保证预制棒掺杂的纵向均匀性。而且可以控制每趟浸泡的稀土溶液是等量(或者是渐变的可以制备不同折射率变化的光纤预制棒)的，所以能够完好的保证轴向每趟掺杂的均匀性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种首管示意图；

图2为本发明实施例提供的一种反应管示意图；

图3为本发明实施例提供的一种连结反应管和尾管的接头示意图；

图4为本发明实施例提供的一种尾管示意图；

图5为本发明实施例提供的一种浸泡疏松层示意图；

图6为本发明实施例提供的一种应用本发明制备的大芯径高掺杂高均匀性稀土掺杂光纤预制棒折射率剖面图；

图7为本发明实施例提供的一种常规工艺制备的单趟光纤预制棒折射率剖面图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-首管，2-进料管，3-第一凹槽，4-反应管，5-疏松层，6-第二凹槽，7-四氟接头，8-耐高温橡胶圈，9-尾管，10-加热装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

本发明目的为在保证掺杂浓度、掺杂均匀性及背景损耗条件下提供一种高效率的制备大芯径稀土掺杂光纤预制棒的方法。本发明提出的掺杂方式为一种性能好、高效率、操作简单，适合生产大芯径光纤预制棒的掺杂方法。

本发明中的大芯径指芯径范围在2mm～3mm左右。

本发明实施例提供了一种大芯径稀土掺杂光纤预制棒的制备方法，包括：

S1、先将首管处理成图1所示形式，在首管末端的第一预设位置处可以利用氢氧焰烧塌第一凹槽3，其中，第一预设位置可以根据实际需要确定，第一凹槽的深度和宽度会影响反应管内气体的流速和管内压力分布，进而影响后续沉积疏松层时反应生成粒子分布的纵向均匀性和轴向均匀性。由管内流体力学机制，此时反应管内流场分布表示为：

式中，u_n表示反应气体在凹槽处气体流速，r₀表示反应管的半径，r表示反应管的径向坐标，u表示离子的速度。而在同一气体总量情况下，第一凹槽的深度和宽度影响着流入反应管内气体的流速，进而影响反应管内气体的流速和管内压力的分布，最终影响在反应管内沉积疏松层时前后的均匀性和轴向的均匀性。经过理论计算，第一凹槽的深度需要满足以下条件：需要大于每趟的沉积厚度*趟数，且要小于第一凹槽的宽度在至r₀较为合适。在满足深度和宽度的情况下可以有效保证在反应管内反应生成的疏松层能够前后均匀的分布于反应管上。

然后在第一凹槽后面开设小孔，将进料管2与小孔连接，把进料管2的进料口密封。

作为一种可选的实施方式，进料管的材质可以根据实际需要确定，优选为玻璃管，进料管的进料口可以用四氟塞子进行密封。

作为一种可选的实施方式，可以采用鼓泡的方式(即将首管末端密封，往首管前端通入气体，在首管上需要鼓泡的地方用氢氧焰燃烧，当燃烧点达到一定温度时此处玻璃软化，由于管内通入气体使管内压力骤升从而可以将燃烧点处玻璃鼓泡)在第一凹槽后面开设小孔。

S2、首管与图2所示高纯反应管4可以在MCVD车床上熔接；

S3、熔接好的反应管可以在MCVD车床通过图3所示的四氟接头7与图4中的尾管9相连；

其中，在图3中，8为耐高温橡胶圈，用于密封管道和固定反应管；为保证反应管内气流稳定和压力分布的均匀性需要在其后面接一段尾管作为流场缓冲区，常规方法是直接将反应管跟尾管用二氧化硅焊丝焊接起来，但是在沉积完疏松层后需要将其用火焰拉断，此种方法操作麻烦且容易在反应管内引入杂质影响光纤损耗。因此，在本发明实施例中，采用四氟转接头直接将反应管与尾管机械相连，既简易操作又能防止污染源进入。还有一种处理方式是直接在反应管后面接尾气处理装置不接尾管作为缓冲区，这种方案会严重影响反应管内流体及压力分布，对疏松层沉积的前后和轴向均匀性带来严重影响故不宜采用。

S4、采用MCVD法在反应管4内表面沉积疏松层5。疏松层的沉积效率影响着原料的材料利用率，主要是沉积时燃料温度和反应管内气体流速决定的。沉积效率表达式如下：

其中，P_r表示气体的普朗特数，K_th表示反应管内粒子的热泳系数，T_c表示加热区反应管管壁的温度，T_p为反应管管内参加化学反应的粒子温度，其由下式(3)确定：

其中，C_p为恒压热熔，k_g为气体的导热系数，ρ_g表示气流密度，u为式(1)中的气体流速，表示管内粒子温度梯度。当疏松层沉积温度与管内气体流速满足一定条件时，反应管内疏松层的沉积效率能够达到较高的水平。在满足高稀土掺杂浓度保证沉积疏松层孔隙大小的条件下，疏松层的沉积温度在1600℃～1730℃范围内，管内气体流速在0.012m/s～0.022m/s可以实现较高的沉积效率。

而疏松层的孔隙大小则影响着预制棒的稀土掺杂浓度，当孔隙较大时可以吸附较多的稀土离子实现高掺杂，而孔隙较小时在孔隙内只能吸附较少的稀土离子影响预制棒的掺杂浓度。疏松层的孔隙大小可由下列公式表示：

其中，n为玻璃的粘性，其与沉积的温度和火焰停留的时间有关，v为燃烧火焰的移动速度，σ表示表面张力，L为燃烧火焰的热区长度，t表示火焰停留时间。为保证高沉积效率和较高的稀土掺杂浓度，需要优化疏松层沉积温度还有燃烧火焰的速度和热区长度。燃烧火焰的移动速度越快、热区长度越长则疏松层孔隙越大所能掺杂的稀土离子越多。疏松层沉积温度在1600℃～1730℃条件下，火焰燃烧的移动速度100mm/min～150mm/min、热区长度16cm～25cm可以保证在较高沉积效率条件下具有较大的疏松层孔隙大小，可以实现高稀土离子掺杂。

最后在反应管末端的第二预设位置处可以使用加热装置10塌缩第二凹槽6，其中，第二预设位置可以根据实际需要确定，第二凹槽6只需使注入反应管内的稀土溶液能够停留在反应管内不流出即可。

第二凹槽的作用是：使注入反应管内的稀土溶液停留在管内不溢出。

S5、如图5所示，从首管的进料管2注入一定量的稀土掺杂溶液，密封进料管2的进料口，旋转反应管4让稀土溶液充分浸透疏松层，旋转可以为稀土离子提供流体剪切力以及离心力，合适的立体剪切力加快了稀土离子的运动速度，有利于溶液中的稀土离子向固液界面扩散，进而促进固液界面对稀土离子的吸附。同时，随着旋转速度的提高，施加到疏松层上的离心力加强，从而增加稀土离子在孔隙内部的扩散速度。但当转速过大时，有可能会导致稀土离子的解吸，所以旋转速度需要控制在一定的范围内。根据实验验证旋转转速在20～35转每分钟是比较合适的。为加快浸透时间提高效率，将反应管4末端用洁净四氟胶带密封，往反应管4内通入气体。气体流量在0.003m/s～0.005m/s范围内根据流量大小可以调节不同的浸透速度。流量太小则改善作用不大，流量太大则容易将反应管内稀土溶液溢出降低掺杂的均匀性污染反应管4。其中，在反应管中通入的气体可以根据实际需要进行确定，优选为氦气。

S6、将四氟接头7取下，把反应管4取下车床竖起来让浸透好疏松层的稀土溶液自动流出，在首管1前端通入高纯氮气将多余溶液吹干(稀土溶液处理不干净容易引起析晶和团簇现象造成成品率的下降)。最后将其架上MCVD车床，完成掺杂。

S7、将掺杂好稀土溶液反应管4内的疏松层在1850℃～1950℃温度内玻璃化然后重复S4到S6可实现大芯径光纤预制棒的制备；为了精确控制大芯径光纤预制棒纤芯的尺寸，通过控制沉积效率和孔隙大小可以精确预测每趟疏松层沉积的体积量，然后制备出所需要纤芯大小的光纤预制棒。制备m趟疏松层时光纤预制棒的纤芯直径表达式如下：

其中，h_m为制备m趟光纤预制棒的纤芯直径，r₁为沉积一趟时光纤预制棒纤芯的半径，它主要由沉积效率ε和γ的孔隙大小决定。

通过本发明能够在保证高掺杂浓度、高掺杂均匀性及低背景损耗条件下提供一种高效率的可控纤芯直径的大芯径稀土掺杂光纤预制棒制备方法。图6为通过本发明制备的大芯径光纤预制棒，图7为常规法制备的光纤预制棒。图6五条线分别表示为经过PK104(PHOTO KINETICS)测试在预制棒长度方向(该预制棒总长600mm)上每间隔100mm测试的折射率剖面分布图，从该折射率剖面图(表征疏松层掺杂稀土离子的数量，即折射率来自于稀土离子的特性)可以看出利用本发明制备的光纤预制棒在纵向即长度方向时是非常均匀的，在光纤预制棒轴向即半径方向折射率分布也是非常均匀的，进一步验证本发明可以实现高掺杂浓度、高掺杂均匀性大芯径光纤预制棒的制备。该大芯径光纤预制棒为疏松层沉积6趟制备而成，纤芯直径为2.82mm，图7所示的为常规光纤预制棒沉积一趟疏松层的直径是1.16mm。代入上述公式(5)也可以很好的吻合事先精密计算的结果。分别将这两根光纤预制棒拉制成商用20/400稀土掺杂光纤，常规预制棒在相同长度下只能拉制1.6km，而利用本发明制备的大芯径光纤预制棒则可以拉制9.9km标准的20/400商用光纤。所以本发明可以在保证高掺杂浓度、高掺杂均匀性及低背景损耗条件下提供一种高效率的、纤芯直径精确可控的大芯径稀土掺杂光纤预制棒制备，对于原材料(稀土及掺杂离子、高纯反应管)和燃烧能源的成本节约以及制备周期的大大缩短上具有非常大的优势，可以满足快速发展的光纤激光器对于核心器件增益光纤的急剧需求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种稀土掺杂光纤预制棒的制备方法，其特征在于，包括：

在首管末端的第一预设位置处烧塌第一凹槽，然后在所述第一凹槽后方开孔，并将进料管与开设的孔连接；

将所述首管与反应管进行熔接，并将熔接好的反应管与尾管相连；

在所述反应管内表面沉积疏松层，在所述反应管末端的第二预设位置处塌缩第二凹槽，以使注入所述反应管内的稀土掺杂溶液停留在所述反应管内不溢出；

从所述进料管注入稀土掺杂溶液后，密封所述进料管的进料口，旋转所述反应管让所述稀土掺杂溶液充分浸透所述疏松层；

将所述反应管与所述尾管分离，并将浸透好疏松层的剩余稀土掺杂溶液排出，并将所述反应管内的多余稀土掺杂溶液吹干，以完成掺杂；

将掺杂好稀土溶液的反应管内的疏松层进行玻璃化，并重复沉积疏松层及掺杂操作，直至制备得到满足芯径需要的光纤预制棒。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凹槽的深度需要大于每趟的沉积厚度与总趟数的乘积，且小于所述凹槽的宽度在至r₀之间，其中，r₀表示反应管的半径。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过四氟转接头将熔接好的反应管与尾管相连。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述疏松层的沉积温度在1600℃～1730℃之间，沉积时所述反应管内的气体流速在0.012m/s～0.022m/s之间。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在沉积所述疏松层时，火焰燃烧的移动速度在100mm/min～150mm/min之间，热区长度在16cm～25cm之间。

6.根据权利要求1至5任意一项所述方法，其特征在于，所述反应管的旋转速度在20r/min～35r/min之间。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述旋转所述反应管让所述稀土掺杂溶液充分浸透所述疏松层之前，所述方法还包括：

将所述反应管末端进行密封，并向所述反应管内通入气体，其中，所述气体的流量在0.003m/s～0.005m/s之间。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述玻璃化的温度在1850℃～1950℃之间。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在沉积m趟疏松层时光纤预制棒的纤芯直径为：其中，h_m为制备m趟光纤预制棒的纤芯直径，r₁为沉积一趟时光纤预制棒纤芯的半径。

10.一种利用权利要求1至9任意一项所述的稀土掺杂光纤预制棒的制备方法制备得到的稀土掺杂光纤预制棒。