采用激光熔炼技术制备稀土掺杂石英玻璃微结构光纤的方法技术

本发明专利技术公开了采用激光熔炼技术制备稀土掺杂石英玻璃微结构光纤的方法。所述的方法中，步骤为：制粉，熔炼，掺杂棒的处理和光纤预制棒的制备，稀土掺杂石英玻璃微结构光纤的拉制。还公开了掺杂均匀的石英玻璃棒在全固态激光器和微结构光纤中的应用。还公开了一种激光熔炼系统，包括送粉器、激光光源、母棒、夹具、电机、导轨。本发明专利技术制备的稀土掺杂粉末与石英玻璃微结构光纤，可以实现多种稀土离子的均匀掺杂，本发明专利技术制备的掺杂微结构光纤，稀土离子的有效掺杂浓度超过10000ppm。

【技术实现步骤摘要】
采用激光熔炼技术制备稀土掺杂石英玻璃微结构光纤的方法
本专利技术涉及采用激光熔炼技术制备稀土掺杂石英玻璃微结构光纤的方法。
技术介绍
与传统的固体激光器相比，光纤激光器具有高效、紧凑、可调谐、光束质量优异、散热良好、增益高、激光阈值低等诸多优点，因此被广泛应用在工业加工、材料处理、军事国防等领域。然而，随着激光切割、焊接等工业加工及高能激光武器的发展应用，对光纤激光器更高功率的输出及激光光束质量提出了更高的要求，但高功率光纤激光器同时也带来了光纤材料的激光损伤和非线性效应等新问题，采用大芯径的光纤可以有效改善激光损伤问题，而缩短光纤长度，提高掺杂浓度则可以有效降低非线性效应。对于传统的大芯径掺杂光纤，由于无法获得足够低的包层/纤芯折射率差，较难实现单模输出。大模场高浓度掺杂微结构光纤（MSF）具有在维持大模场面积的同时，保持无截止单模的优越性，对高功率光纤激光器研制起着决定性的作用。而稀土掺杂微结构光纤的制备，尤其是稀土掺杂芯棒的制备又是决定MSF功能和性能的核心，也决定了MSF能否最终实用化。随着大模场等光纤设计的出现，对制备光纤预制棒的工艺提出了新的要求，如更大尺寸的芯棒、更高的掺杂浓度、掺杂离子的均匀分布、掺杂材料折射率的精确控制、多稀土离子共掺等，这对于目前所采用的技术，如：改进气相沉积法（MCVD）、外相气相沉积法（OVD）、气相轴向沉积法（VAD）和等离子体化学气相沉积工艺（PCVD）、溶胶凝胶法（SOL-GEL）等将难以实现，从而限制了高掺杂浓度的MSF的进一步发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供采用激光熔炼技术制备稀土掺杂石英玻璃微结构光纤的方法。本专利技术所采取的技术方案是：采用激光熔炼技术制备稀土掺杂石英玻璃微结构光纤的方法，步骤如下：1）制粉：称取稀土离子的氯化物和共掺物，溶于水中，配制成水溶液，利用载气将定量的四氯化硅输送到水溶液中，发生相应的化学反应，反应结束后，除去水分，得粉末，将粉末在氯气和氧化气氛下充分加热去除羟基，获得均匀的稀土掺杂混合粉末；2）熔炼：利用保护气体将粉末吹送至母棒顶部，粉末到达母棒顶部以后，利用二氧化碳激光的作用使其熔化形成玻璃态，在此过程中，随着温度的升高，玻璃液的粘度下降，玻璃液中气泡的直径逐渐增大并不断上升最后从玻璃液中脱除；同时，母棒一边旋转一边下降，玻璃液逐渐离开熔炼区，温度降低，使玻璃液逐渐冷却形成玻璃棒，最终得到掺杂均匀的石英玻璃棒；3）掺杂棒的处理和光纤预制棒的制备：将制备好的掺杂石英棒切割成长度为10-30cm，经过打磨和抛光后即可制成外径为5-30mm的均匀掺杂石英棒；其可作为微结构光纤预制棒的纤芯，采用堆积制备微结构光纤预制棒的方法：选取外径为15-50mm、内径10-35mm、长度20-100cm的石英管作为外套管，在内孔分别以掺杂石英棒为中心周围周期性排布石英毛细管，从而制得掺杂微结构光纤的预制棒；4）稀土掺杂石英玻璃微结构光纤的拉制：将上步制备好的微结构光纤预制棒，安装在光纤拉丝塔上，通过加热到1800-2000℃；最后拉制出外径为100-1000μm的稀土掺杂石英玻璃微结构光纤。步骤1）中，所述的载气为氧气或空气。步骤1）中，所述的稀土离子为Er3+、Tm3+、Yb3+、Ho3+、Nd3+中的至少一种；所述的共掺物为氯化铝、磷和氟的化合物中的至少一种。步骤1）中，稀土掺杂混合粉末中稀土离子的浓度为3000-20000ppm。步骤1）中，载气的通气量在0.1m3/h-4.8m3/h，SiCl4输送量为1~4倍溶液质量。步骤2）中，所述的保护气体为氧气、氮气或空气；粉末输送量为1-50g/min，母棒的下降速度为0.1-5mm/min；在二氧化碳激光的作用下，母棒顶部的温度上升到1800-2500℃，粉末熔化成玻璃态。上述步骤2）得到的掺杂均匀的石英玻璃棒在制备全固态激光器和微结构光纤中的应用。一种激光熔炼系统，包括送粉器、激光光源、母棒、夹具、电机、导轨；其中，送粉器用于将步骤1）得到的掺杂粉末输送到母棒顶部；激光光源用于提供熔炼掺杂粉末的热能；夹具用来夹持母棒；电机用来驱动母棒旋转；导轨用来提供供电机下落的轨道。所述的激光光源为一个到多个。所述的激光光源为单束激光光源时，则所述的激光熔炼系统还包括激光扩束系统，用于调整激光光斑的大小。本专利技术的有益效果是：本专利技术制备的稀土掺杂粉末与石英玻璃微结构光纤，可以实现多种稀土离子的均匀掺杂，本专利技术制备的掺杂微结构光纤中，稀土离子的有效掺杂浓度超过10000ppm。具体来说：本专利技术制备的稀土掺杂粉末及其微结构光纤，可以实现多种稀土离子，如Yb3+、Er3+、Ho3+和Tm3+等的均匀掺杂，并且可以实现多稀土离子的共掺，不但可弥补MCVD的缺点，在掺杂种类上也具有更好的灵活性。可实现石英玻璃均匀掺杂、高浓度掺杂、折射率的准确控制和多样化掺杂，并可以有效的减少掺杂材料的羟基含量，采用堆积毛细管法排布出灵活多样的预制棒，通过高温拉丝塔拉制能够得到单模、大模场的高浓度掺杂微结构光纤，稀土离子的有效掺杂浓度超过10000ppm，为制备特种光纤开辟了新的途径，用于高功率光纤激光器的研制，能够提高稀土掺杂光纤激光器的稳定性，并提高激光器的功率。附图说明图1为实施例1所制备的Yb3+掺杂石英玻璃棒的实物图；图2为采用实施例1制备的Yb3+掺杂石英玻璃拉制的大模场高浓度单模微结构光纤的端面图；图3是掺镱光纤损耗图；图4为多芯微结构光纤端面图；图5为铒镱共掺微结构光纤端面图；图6为铒镱共掺微结构光纤损耗谱；图7为980nmLD激光泵浦铒镱共掺光纤荧光光谱图；图8为掺铥微结构光纤端面图；图9为掺铥微结构光纤损耗图。图10为本专利技术涉及的激光熔炼系统的结构示意图。具体实施方式采用激光熔炼技术制备稀土掺杂石英玻璃微结构光纤的方法，步骤如下：1）制粉：以稀土离子作为掺杂源，称取稀土离子的氯化物和共掺物，并将其溶于去离子水中，配制成水溶液，其中，掺杂源的浓度为：1000-12000ppm，共掺物的浓度为3000-20000ppm；然后用氧气或空气作为载气将SiCl4（或硅的有机物）输送至上述溶液中，载气的通气量在0.1m3/h-4.8m3/h，SiCl4输送量为1~4倍溶液质量，SiCl4与水会产生反应如下：SiCl4+2H2O=SiO2↓+4HCl↑2RCl3+3H2O=R2O3↓+6HCl↑其中，R代表稀土离子或共掺物离子。然后将水蒸干，得粉末，将粉未装入石英容器中，并在氯气气氛下加热至800-1100度以脱除羟基，加热时间为1-6小时；其中：所述的稀土离子为Er3+、Tm3+、Yb3+、Ho3+、Nd3+中的至少一种；优选的，为Er3+、Tm3+、Yb3+、Ho3+中的一种。所述的共掺物为氯化铝、磷和氟的化合物中的至少一种；优选的，为氯化铝；2）熔炼：采用单个或多个二氧化碳激光作为热源，选择激光功率，调整激光能量分布，从而保持熔炼区温度在1800-2500度之间。然后将制备好的掺杂粉末加入送粉器，利用保护气体（氧气、氮气或空气）将粉末输送至母棒（优选为石英棒）顶部（即为熔炼区），粉末输送量为1-50g/min，输送保护气的流量为500-5000ml/min，粉末到达母棒顶部后在二氧化碳激光的作用下熔化形本文档来自技高网...

【技术保护点】
采用激光熔炼技术制备稀土掺杂石英玻璃微结构光纤的方法，其特征在于：步骤如下：1）制粉：称取稀土离子的氯化物和共掺物，溶于水中，配制成水溶液，利用载气将定量的四氯化硅输送到水溶液中，发生相应的化学反应，反应结束后，除去水分，得粉末，将粉末在氯气和氧化气氛下充分加热去除羟基，获得均匀的稀土掺杂混合粉末；2）熔炼：利用保护气体将粉末吹送至母棒顶部，粉末到达母棒顶部以后，利用二氧化碳激光的作用使其熔化形成玻璃态，在此过程中，随着温度的升高，玻璃液的粘度下降，玻璃液中气泡的直径逐渐增大并不断上升最后从玻璃液中脱除；同时，母棒一边旋转一边下降，玻璃液逐渐离开熔炼区，温度降低，使玻璃液逐渐冷却形成玻璃棒，最终得到掺杂均匀的石英玻璃棒；3）掺杂棒的处理和光纤预制棒的制备：将制备好的掺杂石英棒切割成长度为10‑30cm，经过打磨和抛光后即可制成外径为5‑30mm的均匀掺杂石英棒；其可作为微结构光纤预制棒的纤芯，采用堆积制备微结构光纤预制棒的方法：选取外径为15‑50mm、内径10‑35mm、长度20‑100cm的石英管作为外套管，在内孔分别以掺杂石英棒为中心周围周期性排布石英毛细管，从而制得掺杂微结构光纤的预制棒；4）稀土掺杂石英玻璃微结构光纤的拉制：将上步制备好的微结构光纤预制棒，安装在光纤拉丝塔上，通过加热到1800‑2000℃；最后拉制出外径为100‑1000μm 的稀土掺杂石英玻璃微结构光纤。...

【技术特征摘要】
1.采用激光熔炼技术制备稀土掺杂石英玻璃微结构光纤的方法，其特征在于：步骤如下：1)制粉：称取稀土离子的氯化物和共掺物，溶于水中，配制成水溶液，利用载气将定量的四氯化硅输送到水溶液中，发生相应的化学反应，反应结束后，除去水分，得粉末，将粉末在氯气和氧化气氛下充分加热去除羟基，获得均匀的稀土掺杂混合粉末；2)熔炼：将漏斗内的稀土掺杂混合粉末加入送粉器，同时保护气体通过送粉器输送至母棒顶部，粉末输送量为1-50g/min，输送保护气的流量为500-5000ml/min，粉末到达母棒顶部后在二氧化碳激光的作用下熔化形成玻璃态，在此过程中，随着温度的升高，玻璃液的粘度下降，玻璃液中气泡的直径逐渐增大，气泡上升的速度加快，从而促进气泡和条纹的消除，同时，母棒一边旋转一边下降，调节母棒的下降速度为0.1-5mm/min，玻璃液逐渐离开熔炼区，温度降低，使玻璃液逐渐冷却形成玻璃棒，最终得到掺杂均匀的石英玻璃棒；3)掺杂棒的处理和光纤预制棒的制备：将制备好的掺杂石英棒切割成长度为10-30cm，经过打磨和抛光后即可制成外径为5-30mm的均匀掺杂石英棒；其可作为微结构光纤预制棒的纤芯，采用堆积制备微结构光纤预制棒的方法：选取外径为15-50mm、内径10-35mm、长度20-100cm的石英管作为外套管，在内孔分别以掺杂石英棒为中心周围周期性排布石英毛细管，从而制得掺杂微结构光纤的预制棒；4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫，周桂耀，夏长明，侯峙云，刘建涛，
申请(专利权)人：华南师范大学，广州华仁亿和特种光纤科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44