CN111025459B - 三包层掺镱石英光纤及高浓度氟层石英管套棒方法 - Google Patents

三包层掺镱石英光纤及高浓度氟层石英管套棒方法 Download PDF

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Abstract

一种三包层掺镱石英光纤及高浓度氟层石英管套棒方法。首先用MCVD法制备掺镱石英光纤芯棒，按照所需的芯包比加工正八边形，再以正八边形预制母棒作为内衬，外套一层含高浓度氟层石英管，然后高温拉丝得到三包层石英光纤。该方法制备的三包层掺镱石英光纤纤芯玻璃中镱离子掺杂浓度为0.2‑0.25mol％，Yb2O3：CeO2:Al2O3：P2O5＝1：0.2‑0.3：8‑8.5：12‑13(mol比)，该光纤适用于超高功率光纤激光器，主要表现为以下四方面优势：第一，具有极其优异的抗暗化性能；第二,具有非常小的非线性效应；第三，包层具有更好的热稳定性；第四，消除了高浓度氟层石英管与纯石英玻璃内包层界面处的气泡缺陷，避免光纤在万瓦功率下产生破坏。

Description

三包层掺镱石英光纤及高浓度氟层石英管套棒方法
技术领域
本发明涉及特种光纤领域，特别是一种三包层掺镱石英光纤及高浓度氟层石英管套棒方法。
背景技术
掺镱石英光纤激光器被广泛应用于工业加工领域，掺镱石英光纤则是激光器的核心器件。目前普遍采用的石英光纤多为双包层结构，如nufern公司已经实现了多款双包层掺镱石英光纤的商用供货，其纤芯为掺镱石英玻璃，掺杂元素为镱铝磷氟，内包层为纯石英玻璃，第一外包层为低折射率涂敷胶，目的是增加包层数值孔径，从而提高对泵浦光的吸收效率。随着光纤激光器功率的上升，外包层涂敷胶需要承受更高的热效应，因此成为限制高功率激光光纤功率进一步提升的瓶颈。双包层结构光纤很难实现在高功率条件下长期稳定运转。杨德权等提出了一种三包层光纤激光器的全套技术方案，对三包层掺镱石英光纤提出了明确的需求(专利申请号201910570517.7)。
Pierre等(SPIE，2007，第6453卷，645308-1)提出了一种以掺锗石英玻璃作为第一包层，纯石英作为外包层的三包层结构，该结构受到掺锗石英玻璃折射率的限制，包层数值孔径被限制在0.15以下，采用LD直接泵浦光纤的方式很难获得足够的包层泵浦注入功率，难以实现高功率输出。
林傲祥等(IEEE photonics Journal，2019，第11卷，第2期)报道了一种外包层为含氟石英玻璃，内包层为纯石英玻璃，芯部组成为0.17molYb2O3，Yb2O3：Al2O3：P2O5＝1：10：10(mol比)的掺镱石英玻璃，其最大输出功率只有1800W，但其没有提及制约输出功率进一步提升的原因。此外目前采用双包层结构光纤已经实现1800W的光纤激光器商用应用，这样的输出功率水平没有必要采用三包层结构光纤。
专利(CN109502961A)提出了一种抗光暗化的掺镱石英光纤组分，其Yb2O3、Al2O3、P2O5在整个物质中的占比分别为：Yb2O3：0.05～0.3mol％，Al2O3：1～3mol％，P2O5：1～5mol％。专利保护的掺镱石英组分不含CeO2，在千瓦级的激光器中尚能保持较好的抗暗化特性。但对于万瓦光纤激光器应用的光纤暗化性能有更高的要求。因此，本专利结合超高功率激光器的工作特点，进一步优化了上述组分范围。
高浓度氟层石英管套棒是三包层光纤预制棒制备过程中的工艺难点，主要难点是如何避免套棒过程中产生气泡。由于氟层玻璃熔沸点很低，在高温下玻璃中的氟很容易挥发，如果工艺控制不当，挥发产生的气体很容易包裹在氟层玻璃和正八边形预制母棒界面处，产生气泡。气泡在拉制成光纤后成为散射点，高功率条件下容易成为光纤的损伤点，从而大大降低光纤能够承受的功率。目前尚无相关文献或专利报道高浓度氟层石英管套棒的工艺。
综上，目前已发表的论文或者专利没有完全解决三包层光纤在超高功率光纤激光器应用中的技术问题。
发明内容
本发明针对现有工艺的不足，进一步明确了适用于输出功率5000W以上的超高功率应用的掺镱玻璃芯棒组分，并提出了一种高浓度氟层石英管的套棒工艺。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种三包层掺镱石英光纤，所述光纤芯棒的玻璃组分范围为：Yb2O3掺杂浓度为0.2-0.25mol％，Yb2O3：CeO2：Al2O3：P2O5＝1：0.2-0.3：8-8.5：12-13(mol比)，其余为SiO2；内包层为纯石英玻璃，外包层为高浓度氟层石英管，外包层与内包层之间无气泡。
所述高浓度氟层石英管的氟元素浓度为35000-40000ppm。
在另一优选例中，所述高浓度氟层石英管与内包层之间的数值孔径为0.21-0.22。
在另一优选例中，所述纤芯直径≤35um。
本发明的第二方面，提供了一种高浓度氟层石英管套棒方法，包括将预制棒加工成正八边形预制母棒，然后经过灼烧、沉积、塌缩，在正八边形预制母棒外套一层高浓度氟层石英管，再经过拉丝制备成三包层掺镱石英光纤。
在另一优选例中，所述经过灼烧、沉积、塌缩，在正八边形预制母棒外套一层高浓度氟层石英管的方法包括以下步骤：
S1:灼烧，将所述的正八边形预制母棒表面经氢氧焰高温灼烧活化，灼烧温度为1900-2100℃，氢氧气流量比例为2.5：1；
S2:沉积，在所述的高浓度氟层石英管内壁预沉积一层二氧化硅；
S3:塌缩，在所述高浓度氟层石英管中通入氧气和氦气，加热所述高浓度氟层石英管至2000-2250℃，将高浓度氟层石英管均匀包裹在正八边形预制母棒上。
在另一优选例中，步骤S2中所述沉积厚度为10-15um。
在另一优选例中，步骤S3中氧气流量为200-400mL/min(毫升每分钟)，氦气流量为500-1000mL/min(毫升每分钟)。
在另一优选例中，在步骤S3中，先在高浓度氟层石英管一端加热，使石英管在高温下收缩形成一个塌陷支撑点，该支撑点可以减小套棒过程中正八边形预制母棒由于软化导致的扭曲，保证最终光纤产品的同心度。
在另一优选例中，所述加热为单向移动加热，加热移动速度为3-5mm/min。
在另一优选例中，在步骤S3中，加热时，高浓度氟层石英管管内压力为-10Pa。
本发明的第三方面，提供了一种三包层掺镱石英光纤，至少包括本发明第二方面所述的高浓度氟层石英管套棒方法制得，所制备的光纤纤芯玻璃组分范围为：Yb2O3掺杂浓度为0.2-0.25mol％，Yb2O3：CeO2：Al2O3：P2O5＝1：0.2-0.3：8-8.5：12-13(mol比)，其余为SiO2，外包层为高浓度氟层石英管，且高浓度氟层石英管与纯石英玻璃内包层之间无气泡。
本发明的有益效果：
第一，芯棒玻璃组分具有及其优异的抗暗化性能。相同测试条件下诱导损耗仅为0.08dB(常规光纤达到0.3dB)，用该组分制备的纤芯10um光纤在1000W输出功率时维持10小时功率下降5％以内(等效纤芯30um光纤9000W输出功率时维持10小时功率下降5％以内)；
第二，具有非常小的非线性效应，主要得益于其适中的镱离子掺杂浓度以及合适的掺杂元素比例，能够有效降低光纤使用长度，该光纤在输出功率达到10000W时未出现SRS及模式不稳定等非线性效应；
第三，超高功率下滤除包层光后激光转换效率超过80％；
第四，用含氟玻璃替代常规双包层光纤的有机涂层，相对于常规的低折射率胶具有更好的热稳定性，避免光纤在超高功率工作条件下由于涂层问题失效；
第五，通过优化套管工艺，消除了界面处的气泡缺陷，避免光纤在超高功率下产生破坏。
附图说明
在所属附图中，相同部分和特征具有相同的附图标记。许多附图为示意图，其比例可能不准确。
图1是本发明采用的高浓度氟层石英管套棒过程示意图；
图2是本发明实施例1制备的光纤纤芯折射率分布图；
图3是本发明实施例1制备的光纤输入输出曲线；
图4是本发明实施例1制备的光纤泵浦诱导633nm损耗曲线；
图5是常规20-400型商用光纤泵浦诱导633nm损耗曲线；
图6是本发明实施例2制备的光纤纤芯折射率分布图；
图7是本发明实施例2制备的光纤输入输出曲线。
图中各编号代表为：1进气管，2旋转密封接头，3塌陷支撑点，4高浓度氟层石英管，5氢氧焰灯，6正八边形预制母棒，7移动支架。
具体实施方式
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例1
该三包层掺镱石英光纤纤芯玻璃组分为：Yb2O3掺杂浓度为0.25mol％，Yb2O3：CeO2：Al2O3：P2O5＝1：0.25：8.2：12.5(mol比)，其余为SiO2。外包层为高浓度氟层石英管，且高浓度氟层石英管与纯石英玻璃内包层之间无气泡。
本实施例三包层掺镱石英光纤芯棒的制备工艺流程与专利CN109502961A一致；
本实施例三包层掺镱石英光纤芯棒需要外套一层高浓度氟层石英管(氟元素浓度为35000ppm)，高浓度氟层石英管与石英内包层之间的数值孔径为0.21；高浓度氟层石英管套棒方法所采用的设备结构如图1所述，其中各编号代表为：1进气管，2旋转密封接头，3塌陷支撑点，4高浓度氟层石英管，5氢氧焰灯，6正八边形预制母棒，7移动支架，具体过程如下：
一、将正八边形预制母棒6表面经氢氧焰高温灼烧活化，灼烧温度为2000℃，氢氧气流量比例为2.5：1，过氢使所述的正八边形预制母棒6表面二氧化硅分子结合羟基，使氟层挥发产生的氟与羟基发生取代反应而进入玻璃结构中，从而避免由于游离状态的氟产生界面气泡；
二、在高浓度氟层石英管4内壁预沉积一层二氧化硅，沉积厚度为12um，二氧化硅薄层可以减少氟层与空气接触，从而减少氟层挥发；
三、进气管1通入的气体为氧气和氦气，氧气流量为300mL/min，氦气流量为800mL/min；
四、高浓度氟层石英管4一端有一个塌陷支撑点3，该支撑点可以减小套棒过程中正八边形预制母棒6由于软化导致的扭曲，保证最终光纤产品的同心度；
五、移动支架7为从右往左移动，速度为3mm/min，管内压力为-10Pa，塌缩温度为2100℃，将高浓度氟层石英管4均匀包裹在正八边形预制母棒6上。
将本实施例的预制棒夹持在光纤拉丝塔的送料端，并将其下端下降至拉丝加热炉的高温位置。等待拉丝加热炉温度升至2200℃的掉料温度，预制棒的下端软化并依靠重力缓慢掉落形成光纤。将加热炉的温度降至2000℃的拉丝温度，并开启拉丝牵引轮，以10m/min的速度拉制光纤，等待光纤的外径符合要求后，开启涂敷装置和紫外固化炉，在光纤表面涂覆一层低折射率的反射层以及一层高折射率的保护层，将拉制的光纤通过收丝机盘绕在光纤盘上。
性能测试包括以下内容：
一、采用光纤折射率分布测试仪测试折射率分布，如图2，折射率分布中心凹坑较小，折射率波动小于2×10-4。
二、包层老化测试，取制作的三包层光纤，通包层红光，外观检查完整，记录红光功率约100mW；取下光纤放入环境箱，环境箱条件120℃，100％相对湿度，老化100h；取出老化光纤，通包层红光，外观检查完整，记录红光功率约99mW；对比未老化光纤和老化光纤外观变化和红光功率变化情况，基本一致，表明光纤老化未失效。
三、采用稳定的全光纤化单模种子激光加一级放大的主控振荡器的功率放大器，种子激光功率为170W，放大级采用双端抽运结构，三包层有源光纤尺寸为纤芯30微米，第一包层400um，含氟包层450um，保护层550um，长度20m，纤芯数值孔径0.082，第一包层数值孔径0.21，第二包层数值孔径0.46，在放大级抽运约9000W时，激光输出达到7500W，最大功率输出时，放大级效率光光效率81％(如图3)，整个过程没有观察到SRS及模式不稳定等非线性现象。
四、以常规光纤纤芯材料和该三包层光纤纤芯材料为基础，拉制与HI1060光纤匹配单模光纤，各取10cm光纤，通过与WDM熔接引入泵浦光和633nm探针红光约5uW，测试相同粒子反转条件下纤芯红光随时间的变化过程，得到光纤的泵浦诱导损耗曲线(如图4和5所示)，表征材料的抗暗化性能。
实施例2
该三包层掺镱石英光纤纤芯玻璃组分为：Yb2O3掺杂浓度为0.2mol％，Yb2O3：CeO2：Al2O3：P2O5＝1：0.2：8.5：13(mol比)，其余为SiO2。外包层为高浓度氟层石英管，且高浓度氟层石英管与纯石英玻璃内包层之间无气泡。
本实施例三包层掺镱石英光纤芯棒的制备工艺流程与专利CN109502961A一致。
本实施例三包层掺镱石英光纤芯棒需要外套一层高浓度氟层石英管(氟元素浓度为40000ppm)，高浓度氟层石英管与石英内包层之间的数值孔径为0.22；高浓度氟层石英管套棒方法所采用的设备结构如图1所述，其中各编号代表为：1进气管，2旋转密封接头，3塌陷支撑点，4高浓度氟层石英管，5氢氧焰灯，6正八边形预制母棒，7移动支架，具体过程如下：
一、将正八边形预制母棒6表面经氢氧焰高温灼烧活化，灼烧温度为2100℃，氢氧气流量比例为2.5：1，过氢使所述的正八边形预制母棒6表面二氧化硅分子结合羟基，使氟层挥发产生的氟与羟基发生取代反应而进入玻璃结构中，从而避免由于游离状态的氟产生界面气泡；
二、在高浓度氟层石英管4内壁预沉积一层二氧化硅，沉积厚度为15um。二氧化硅薄层可以减少氟层与空气接触，从而减少氟层挥发；
三、进气管1通入的气体为氧气和氦气，氧气流量为400mL/min，氦气流量为1000mL/min；
四、高浓度氟层石英管4一端有一个塌陷支撑点3，该支撑点可以减小套棒过程中正八边形预制母棒6由于软化导致的扭曲，保证最终光纤产品的同心度；
五、移动支架7为从右往左移动，速度为5mm/min，管内压力为-10Pa，塌缩温度为2250℃，将高浓度氟层石英管4均匀包裹在正八边形预制母棒6上。
将本实施例的预制棒夹持在光纤拉丝塔的送料端，并将其下端下降至拉丝加热炉的高温位置。等待拉丝加热炉温度升至2200℃的掉料温度，预制棒的下端软化并依靠重力缓慢掉落形成光纤。将加热炉的温度降至2000℃的拉丝温度，并开启拉丝牵引轮，以10m/min的速度拉制光纤，等待光纤的外径符合要求后，开启涂敷装置和紫外固化炉，在光纤表面涂覆一层低折射率的反射层以及一层高折射率的保护层，将拉制的光纤通过收丝机盘绕在光纤盘上。
性能测试包括以下内容：
一、采用光纤折射率分布测试仪测试折射率分布，如图6，折射率分布中心凹坑较小，折射率波动小于2×10-4。
二、包层老化测试，取制作的三包层光纤，通包层红光，外观检查完整，记录红光功率约100mW；取下光纤放入环境箱，环境箱条件120℃，100％相对湿度，老化100h；取出老化光纤，通包层红光，外观检查完整，记录红光功率约98mW；对比未老化光纤和老化光纤外观变化和红光功率变化情况，基本一致，表明光纤老化未失效。
三、采用稳定的全光纤化单模种子激光加一级放大的主控振荡器的功率放大器，种子激光功率为170W，放大级采用双端抽运结构，三包层有源光纤尺寸为纤芯35um，第一包层400um，含氟包层450um，保护层550um，长度20m，纤芯数值孔径0.065，第一包层数值孔径0.22，第二包层数值孔径0.46，在放大级抽运约12000W时，激光输出达到10164W，最大功率输出时，放大级效率光光效率84.7％(如图7)，整个过程没有观察到SRS及模式不稳定等非线性现象。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种高浓度氟层石英管套棒方法，其特征在于：包括将预制棒加工成正八边形预制母棒，然后经过灼烧、沉积、塌缩，在正八边形预制母棒外套一层高浓度氟层石英管，再经过拉丝制备成三包层掺镱石英光纤，
其中，所述经过灼烧、沉积、塌缩，在正八边形预制母棒外套一层高浓度氟层石英管的方法，包括以下步骤：
S1:灼烧，将所述的正八边形预制母棒表面经氢氧焰高温灼烧活化，灼烧温度为1900-2100℃，氢氧气流量比例为2.5：1；
S2:沉积，在所述的高浓度氟层石英管内壁预沉积一层二氧化硅；
S3:塌缩，在所述高浓度氟层石英管中通入氧气和氦气，加热所述高浓度氟层石英管至
2000-2250℃，将高浓度氟层石英管均匀包裹在正八边形预制母棒上。
2.根据权利要求1所述的高浓度氟层石英管套棒方法，其特征在于：步骤S2中沉积的厚度为10-15um。
3.根据权利要求1所述的高浓度氟层石英管套棒方法，其特征在于：步骤S3中氧气流量为200-400mL/min，氦气流量为500-1000mL/min。
4.根据权利要求1所述的高浓度氟层石英管套棒方法，其特征在于：在步骤S3中，先在高浓度氟层石英管一端加热，使石英管在高温下收缩形成一个塌陷支撑点，该支撑点可以减小套棒过程中正八边形预制母棒由于软化导致的扭曲，保证最终光纤产品的同心度。
5.根据权利要求1所述的高浓度氟层石英管套棒方法，其特征在于：在步骤S3中，加热时，高浓度氟层石英管管内压力为-10Pa。
6.一种三包层掺镱石英光纤，其特征在于：至少包括如权利要求1至5任一项所述的高浓度氟层石英管套棒方法制得，所制备的光纤纤芯玻璃组分范围为：Yb2O3掺杂浓度为0.2-0.25mol％，Yb2O3：CeO2：Al2O3：P2O5＝1：0.2-0.3：8-8.5：12-13(mol比)，其余为SiO2，外包层为高浓度氟层石英管，且高浓度氟层石英管与纯石英玻璃内包层之间无气泡。
7.根据权利要求6所述的三包层掺镱石英光纤，其特征在于：所述三包层掺镱石英光纤的内包层为纯石英玻璃。
8.根据权利要求6所述的三包层掺镱石英光纤，其特征在于：高浓度氟层石英管的氟元素浓度为35000-40000ppm。
9.根据权利要求6所述的三包层掺镱石英光纤，其特征在于：高浓度氟层石英管与内包层之间的数值孔径为0.21-0.22。
10.根据权利要求6所述的三包层掺镱石英光纤，其特征在于：所述纤芯直径≤35um。
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