低损耗Yb制造技术

一种掺Yb

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤预制棒芯棒，特别是一种大尺寸、高均匀性、低损耗Yb3+掺杂石英光纤预制棒芯棒的制备方法。其主要应用是制备稀土掺杂大模场石英光纤，包括大模场包层光纤与各种微结构光纤
技术介绍
Yb3+掺杂的石英光纤因其具有激光功率高、热机械性能好的优点，已经成功应用于工业加工、医疗、能源、军事等领域。对于传统的Yb3+掺杂石英包层光纤(纤芯尺寸一般小于20μm)，限制其激光性能进一步提升的主要因素为光纤端面的功率密度增大引起的非线性效应与激光损伤。为了解决这一问题，大模场光纤发展起来，成为近年来的研究热点。自2004年以来，英国南安普顿大学(Optics Express,2004,Vol.12,No.25,pp.6088-6092)、德国Jena大学光子技术研究所联合Heraeus公司(SPIE会议文集，2008年的6873卷，pp.687311-1-9)等均进行了Yb3+掺杂大模场特种光纤的研制工作。国内的上海光机所、西安光机所、燕山大学、国防科大和长飞光纤光缆有限公司等单位近些年来也纷纷投入大量精力研制大模场光子晶体光纤与大模场包层光纤。对于Yb3+掺杂的大模场石英光纤的研究与制备，其核心技术在于Yb3+掺杂石英光纤预制棒芯棒的制备。大尺寸、高均匀性、低损耗的Yb3+掺杂芯棒玻璃是决定大模场光纤激光性能的关键因素，同时也是国际上遇到的工艺技术难点。目前制备传统包层石英光纤的工业化成熟技术是改进的化学气相沉积(MCVD)技术结合液相掺杂工艺，这种方法的最大优点是制备的包层光纤预制棒杂质含量极低，因此光纤损耗很低(15～50dB/km)，有利于提高激光输出斜率效率，获得高功率激光。而缺点在于传统MCVD工艺无法制备直径大于3mm的稀土掺杂芯棒，而气相掺杂MCVD工艺虽然可以制备直径大于3mm的芯棒，但是因为各种原料气体的流量较难控制，制备的芯棒折射率分布均匀性仍较差。2014年，英国南安普顿大学(Opt.Express,2014,Vol.22,No.25,pp31078-31091)利用MCVD与液相掺杂法制备了40μm芯径的大模场光纤,通过对大模场光纤包层结构的设计，获得了高亮度激光输出，但无法制备更大芯径的光纤。鉴于MCVD技术在制备大芯径稀土掺杂芯棒玻璃方面的短板，研究者们开始探索非CVD的制备方法。德国Heraeus公司与Jena大学联合专利技术的“粉体烧结技术”(美国专利US 2010/0251771 A1)，代表着目前非CVD技术制备Yb3+掺杂大模场光纤芯棒玻璃的最高水平。采用所制备的芯棒玻璃具有良好的光学质量、高的掺杂均匀性，更为重要的是，该技术所制备的光纤损耗很低，为30～50
dB/km,与MCVD所制备光纤的损耗(15～50dB/km)处于非常接近的水平。但这种方法的局限性在于只能实现Al-Yb共掺石英玻璃芯棒的制备，共掺杂P等挥发性组分时存在较大困难，在Al-Yb掺杂的石英光纤中共掺杂P具有极其重要的意义。P的掺杂不仅能够抑制高功率激光输出应用情况下的光致暗化效应，还能够与Al共掺杂形成AlPO4结构，有效降低芯棒的折射率，使纤芯的折射率尽可能的与包层石英的折射率接近，有利于单模高亮度激光的产生，单模高亮度激光输出在国防军事与能源聚变领域具有极其重要的应用，是目前对Yb3+掺杂石英光纤激光的迫切要求。另一方面，含有高P含量的Yb石英光纤在外太空抗高能射线辐照方面具有重大应用前景。国内长飞光纤光缆有限公司在2013年公开了专利技术专利“一种稀土均匀掺杂预制棒芯棒及其制备”(公开号：CN 102992613 A)，专利中提到的制备方法与德国Heraeus相近，但专利中没有明确提出制备了大芯径的稀土掺杂芯棒，更没有给出制备的芯棒的尺寸，也没有制备大模场光纤。这种方法在进行挥发性组分P等共掺杂时同样存在极大困难。基于上述背景，为克服现有技术制备大尺寸掺Yb石英光纤预制棒的不足，近几年来，中科院上海光学精密机械研究所创新性地发展了溶胶-凝胶法与高温烧结相结合的制备技术，利用该技术在制备大芯径Yb3+掺杂石英玻璃芯棒及大模场光纤方面取得了较大的成就，并于2013年首次公开了自己的专利技术专利“掺Yb石英光纤预制棒芯棒的制备方法”(公开号：CN 103373811B)。我们在前期的研究与制备过程中，遇到了两个突出性的技术瓶颈：一是Yb掺杂石英玻璃中，共掺杂挥发性的组分P时，由于在整个制备过程中伴随的严重挥发，导致最终制备的芯棒玻璃均匀性较差；二是由于溶胶-凝胶的制备工艺繁琐且周期较长，使得制备的芯棒玻璃及后续拉制的石英光纤的损耗很高(0.5～1.0dB/m)，这对于高功率激光的产生是致命的。为了克服我们遇到的这两个技术瓶颈，本专利技术采用了创新性的技术革新，成功解决了挥发性组分掺杂造成的均匀性问题，更重要的是，我们成功地将光纤损耗大大降低到MCVD与Heraeus所制备芯棒的损耗水平，满足了大模场高功率、高亮度光纤激光对预制棒芯棒的应用需求。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足和缺陷，在前期发展的溶胶-凝胶法制备Yb掺杂芯棒玻璃的基础上，进行了创新性的技术改进，一方面解决了挥发性组分P的掺杂造成的掺杂均匀性差的难题，另一方面将光纤损耗降低了一个数量级，与MCVD及Heraeus公司制备的光纤损耗处于一个量级水平。根据高功率光纤激光对激光器发展的需求，本专利技术提供一种大尺寸、高均匀性、低损耗的掺Yb石英光纤预制棒芯棒的制备方法，实现挥发性组分P的均匀共掺杂，有效降低Yb芯棒玻璃的折射率，
有利于高亮度激光的产生。该方法获得的芯棒可以用来制备大模场包层及微结构掺Yb石英光纤，实现高的激光效率并获得高功率激光输出。本专利技术的技术解决方案为：一种低损耗Yb3+掺杂石英光纤预制棒芯棒的制备方法，该方法包括下列步骤：1)所述的Yb3+掺杂石英光纤预制棒芯棒的成分范围为：Yb2O3：0.03～0.5mol％，Al2O3：0.5～10mol％，P2O5：0～10mol％，其余为SiO2，选定Yb3+掺杂石英光纤预制棒芯棒组成的摩尔百分比，按选定的摩尔百分比称量原材料硅醇盐、六水合氯化镱、六水合氯化铝和磷酸；按所述的硅醇盐：水：有机溶剂＝1：2～10：4～20的比例配置水和有机溶剂的混合溶液，然后将所述的六水合氯化镱、六水合氯化铝、磷酸依次加入所述的混合溶液中，再加入硅醇盐水解催化剂调节溶液的pH值，在室温下经过1～20小时充分搅拌，获得Al-Yb共掺或Al-P-Yb三掺的氧化硅透明溶胶液，再静置1～10天；所述的硅醇盐为Si(OC2H5)4或Si(OCH3)4，所述硅醇盐对应的有机溶剂分别为C2H5OH或CH3OH；将所述的氧化硅透明溶胶液置于敞口烧瓶中，经100℃水浴加热，待溶液失去流动性变成凝胶粉体后，将该凝胶粉体置于管式炉中通氧加热进行脱水脱碳处理，氧气流量为25～50L/h，炉温经历4小时从室温升温到600℃，然后冷却，得到去除残余碳和羟基的Al-Yb共掺或Al-P-Yb三掺的氧化硅粉体；2)将所述的氧化硅粉体进行球磨处理，得到粒径为10～20μm的球磨粉体，然后将球磨粉体经过100MPa冷等静压压制成块体素坯，再次置于管式炉中进行纯化处理，对于Al-Yb掺杂球磨粉体，在60本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低损耗Yb3+掺杂石英光纤预制棒芯棒的制备方法，特征在于，该方法包括下列步骤：1)所述的Yb3+掺杂石英光纤预制棒芯棒的成分范围为：Yb2O3：0.03～0.5mol％，Al2O3：0.5～10mol％，P2O5：0～10mol％，其余为SiO2，选定Yb3+掺杂石英光纤预制棒芯棒组成的摩尔百分比，按选定的摩尔百分比称量原材料硅醇盐、六水合氯化镱、六水合氯化铝和磷酸；按所述的硅醇盐：水：有机溶剂＝1：2～10：4～20的比例配置水和有机溶剂的混合溶液，然后将所述的六水合氯化镱、六水合氯化铝、磷酸依次加入所述的混合溶液中，再加入硅醇盐水解催化剂调节溶液的pH值，在室温下经过1～20小时充分搅拌，获得Al‑Yb共掺或Al‑P‑Yb三掺的氧化硅透明溶胶液，再静置1～10天；所述的硅醇盐为Si(OC2H5)4或Si(OCH3)4，所述硅醇盐对应的有机溶剂分别为C2H5OH或CH3OH；2)将所述的氧化硅透明溶胶液置于敞口烧瓶中，经100℃水浴加热，待溶液失去流动性变成凝胶粉体后，将该凝胶粉体置于管式炉中通氧加热进行脱水脱碳处理，氧气流量为25～50L/h，炉温经历4小时从室温升温到600℃，然后冷却，得到去除残余碳和羟基的Al‑Yb共掺或Al‑P‑Yb三掺的氧化硅粉体；3)将所述的氧化硅粉体进行球磨处理，得到粒径为10～20μm的球磨粉体，然后将球磨粉体经过100MPa冷等静压压制成块体素坯，再次置于管式炉中进行纯化处理，对于Al‑Yb掺杂球磨粉体，在600～900℃，通Cl2高温纯化1～3小时；对于Al‑P‑Yb掺杂球磨粉体，在600～900℃通POCl3进行纯化1～2小时，在通Cl2或者POCl3纯化以后，通O2 1～2小时然后冷却得到纯化的掺杂粉体素坯；4)将所述纯化的掺杂粉体素坯置于石墨托盘上，在1650～1750℃的气压烧结炉中热等静压烧结，随炉冷却形成无气泡透明玻璃；5)将所述的无气泡透明玻璃加工为直径3～18mm，长50～300mm的芯棒，光学抛光，置于质量浓度在5～20％的HF酸中进行酸处理5～15min后，取出干燥，获得Yb3+掺杂石英光纤预制棒芯棒。...

【技术特征摘要】
1.一种低损耗Yb3+掺杂石英光纤预制棒芯棒的制备方法，特征在于，该方法包括下列步骤：1)所述的Yb3+掺杂石英光纤预制棒芯棒的成分范围为：Yb2O3：0.03～0.5mol％，Al2O3：0.5～10mol％，P2O5：0～10mol％，其余为SiO2，选定Yb3+掺杂石英光纤预制棒芯棒组成的摩尔百分比，按选定的摩尔百分比称量原材料硅醇盐、六水合氯化镱、六水合氯化铝和磷酸；按所述的硅醇盐：水：有机溶剂＝1：2～10：4～20的比例配置水和有机溶剂的混合溶液，然后将所述的六水合氯化镱、六水合氯化铝、磷酸依次加入所述的混合溶液中，再加入硅醇盐水解催化剂调节溶液的pH值，在室温下经过1～20小时充分搅拌，获得Al-Yb共掺或Al-P-Yb三掺的氧化硅透明溶胶液，再静置1～10天；所述的硅醇盐为Si(OC2H5)4或Si(OCH3)4，所述硅醇盐对应的有机溶剂分别为C2H5OH或CH3OH；2)将所述的氧化硅透明溶胶液置于敞口烧瓶中，经100℃水浴加热，待溶液失去流动性变成凝胶粉体后，将该凝胶粉体置于管式炉中通氧加热进行脱水脱碳处理，氧气流量为25～50L/h，炉温经历4小时从室温升温到600℃，然后冷却，得到去除残余碳和羟基的Al-Yb共掺或Al-P-Yb三掺的氧化硅粉体；3)将所述的氧化硅粉体进行球磨处理，得到粒径为10～20μm的球磨...

【专利技术属性】
技术研发人员：王世凯，胡丽丽，于春雷，许文彬，楼风光，王孟，冯素雅，张磊，陈丹平，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31