镱铝磷氟掺杂的石英光纤预制棒芯棒及其制备方法技术

一种镱铝磷氟掺杂石英光纤预制棒芯棒的制备方法，该方法基于改进的化学气相沉积(MCVD)工艺并结合溶液浸泡工艺实现。首先基于化学沉积工艺在石英管内沉积得到一定厚度的含氟二氧化硅纳米颗粒疏松层，然后置于一定浓度氯化镱及氯化铝的溶液中实现镱铝的均匀共掺杂，经过干燥、脱羟基后，在上述掺杂石英管内部利用高纯氧气载入三氯氧磷原料，经过高温玻璃化及扩散过程，制备得到镱铝磷氟共掺杂石英光纤预制棒芯棒。该方法可以实现折射率高于纯石英差在0.0004‑0.0008范围可调、轴向折射率一致性好、径向折射率呈锯齿形分布的大直径掺镱芯棒制备。

Ytterbium aluminum phosphorus fluorine doped quartz optical fiber preform rod core and preparation method thereof

The invention relates to a preparation method of ytterbium aluminum phosphorus fluorine doped silica fiber preform rod, which is based on the improved chemical vapor deposition (MCVD) process and the solution immersion process. Based on the fluorine silica nanoparticles containing loose layer chemical deposition process obtained in a certain thickness of quartz tube deposition, then the solution in a certain concentration of ytterbium chloride and aluminum chloride in homogeneous Co doped ytterbium aluminum, after drying, dehydroxylation, internal use of high purity oxygen loaded three phosphorus oxychloride in the doped material tube after high temperature quartz glass transition and diffusion process, preparation of ytterbium aluminum phosphate and fluoride Co doped silica fiber preform rod. This method can achieve a higher refractive index than the pure quartz, adjustable axial refractive index consistency, radial refractive index sawtooth distribution of Yb doped large diameter mandrel preparation in 0.0004 range 0.0008.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤预制棒领域，特别是一种镱铝磷氟掺杂石英光纤预制棒芯棒及其制备方法。
技术介绍
掺镱石英光纤是1μm光纤激光器的核心元件。随着半导体激光器泵浦与激光耦合等能量光电子技术的飞速发展，掺镱光纤激光器的功率也从最初的瓦级发展到万瓦级，但是高功率激光器存在如下一些难以解决的技术难题，如：单位面积所需要承受的功率升高导致光纤产生非线性效应，导致激光波长偏移、激光模式不稳定，严重影响激光效率和光束质量；其次，光纤在高功率条件下运转，会产生光致暗化效应，导致激光输出功率降低。因此，需要研制大模场、低折射率的预制棒，拉制大模场、低折射率的掺镱石英光纤，实现高光束质量、低非线性的稳定高功率激光输出。降低芯棒折射率有三种方法：第一种是降低镱铝掺杂含量，但铝离子在石英玻璃中具有分散稀土离子的作用，降低掺杂含量会导致稀土离子团簇等问题(Optical Materials,2008,第31卷，300-305)；第二种是铝磷共掺(Proc.of SPIE，2008，第6890卷，689016-1)，研究表明等摩尔比例的铝磷共掺于石英玻璃中可以形成AlPO4基团结构，能大幅降低纤芯玻璃的折射率，同时对光纤预制棒的抗光暗化性能取到很好的效果，但该文献报道的结果表明由于磷的挥发，剖面折射率呈现M型结构，不利于光纤在高功率条件下保持模式稳定；第三种是氟掺杂，氟掺杂可以降低预制棒芯棒的折射率(专利CN 103864292 A，申请号201410070217.X)，意味着在相同折射率条件下可以实现更高的镱离子掺杂浓度，提高光纤吸收系数，该专利没有实现磷掺杂，同时也没有报道折射率的纵向一致性。改进的化学气相沉积系统(以下简称为MCVD设备)结合溶液浸泡法是一种制备掺镱石英光纤的通用方法，MCVD设备的简图如图1所示。其中，镱铝磷掺杂的方法包括下列步骤(Optical Express，2016，第24卷，第6期，101364)：首先将三氯氧磷、四氯化硅和氧气同时通入沉积管中，用氢氧焰灯加热沉积一层磷掺杂的二氧化硅疏松体，在掺杂镱铝之前即完成磷的引入；然后将所述的沉积管浸泡在含铝离子和镱离子的溶液中进行铝掺杂和镱掺杂。用该方法制备的预制棒芯棒折射率高于纯石英的差达到0.0006，但是其没有掺杂氟，为了保证0.0006的折射率差，只能实现0.09％molYb2O3掺杂浓度，仅为正常商用掺镱光纤的50％，意味着需要较长的光纤才能实现泵浦光的充分吸收，容易导致非线性效应，不利于光纤在高功率下应用。此外，该方法所提工艺中磷和硅为同时沉积，由于三氯氧磷和四氯化硅饱和蒸气压不同，在相同温度下混合可能会引起沉积管不同位置沉积物组分不同，不利于控制预制棒芯棒折射率的纵向一致性。综上，目前已发表的论文或专利并没有解决MCVD方法制备具有较好折射率分布的镱铝磷氟掺杂石英光纤预制棒芯棒的制备工艺问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有MCVD工艺液相掺杂技术的不足，提供一种镱铝磷氟掺杂的低折射率石英光纤预制棒芯棒玻璃的制备方法。采用本方法制备的芯棒具有锯齿形折射率分布结构，芯棒的折射率高于纯石英玻璃折射率0.0004-0.0008之间。该芯棒制备的光纤可以减少高阶模在纤芯中的重叠因子，从而改善光纤激光的光束质量。本专利技术的技术解决方案如下：一种镱铝磷氟掺杂石英光纤预制棒芯棒，其特点在于所述芯棒的玻璃组分如下：一种镱铝磷氟掺杂石英光纤预制棒芯棒的制备方法，采用改进的化学气相沉积系统结合溶液浸泡法进行制备，其特点在于该方法包括如下步骤：1)准备工作：取长度为600-1000mm的石英管作为沉积管，将该沉积管洗净、烘干，把该沉积管的一端与车床的前端管熔接，另一端与车床的尾气管熔接；配置溶液：将一定量的氯化铝和氯化镱加入乙醇中溶解，溶液中，氯化镱的浓度为0.01-0.04mol/L，氯化镱和氯化铝的摩尔比为1:8～12，构成氯化铝和氯化镱的混合乙醇溶液；2)抛光：打开第二氧气瓶的阀门调节第二氧气质量流量计的速率为100-1000sccm，打开六氟化硫气瓶的阀门，调节六氟化硫质量流量计的速率为10-100sccm速率，所述的第二氧气瓶和六氟化硫气瓶分别通过第一管道向所述的沉积管输入氧气和六氟化硫气体，用氢氧焰灯加热所述的沉积管至1900℃-2100℃，所述的移动平台以80-120mm/min的速度带动所述的氢氧焰灯从所述的沉积管一端移动到另一端进行化学抛光；3)沉积：打开四氯化硅鼓泡器的出气阀门和进气阀门，调节第二氧气质量流量计的速率为500-100sccm，调节六氟化硫质量流量计的速率为3-10sccm、调节四氯化硅鼓泡器的氧气质量流量计的速率为100-200sccm，第一氧气瓶中的氧气经第二管道、所述的四氯化硅鼓泡器的进气阀门、四氯化硅鼓泡器的氧气质量流量计进入所述的四氯化硅鼓泡器，所述的四氯化硅鼓泡器产生的四氯化硅经四氯化硅鼓泡器的出气阀门、第一管道向所述的沉积管输入四氯化硅，同时所述的第二氧气瓶和六氟化硫气瓶通过第一管道向所述的沉积管输入氧气和六氟化硫气体，用所述的氢氧焰灯加热所述的沉积管至1450-1650℃，所述的移动平台以80-120mm/min的速度带动所述的氢氧焰灯从所述的沉积管头部移动到尾部，在所述的沉积管内壁沉积一层白色氟掺杂的二氧化硅颗粒疏松体；4)浸泡法掺杂镱铝：关闭所有已打开的阀门，将所述的沉积管和前端管从车床一并取下，并将所述的沉积管浸泡在所述的氯化铝和氯化镱的混合乙醇溶液中，浸泡时间大于15分钟，在所述的沉积管内得到一层镱铝氟掺杂二氧化硅疏松体；5)脱水：将上述浸泡后的沉积管重新与所述的车床的尾气管熔接，打开氯气瓶的阀门和第二氧气瓶的阀门，调节氯气质量流量计的通气速率为20-200sccm，调节氧气质量流量计的通气速率为500-1000sccm，通过第一管道向所述的沉积管中输入氯气和氧气，用所述的氢氧焰灯加热所述的沉积管至1100-1400℃，所述的移动平台以80-120mm/min的速度带动所述的氢氧焰灯从所述的沉积管头部移动到尾部，即完成脱水工序；6)掺磷：关闭氯气瓶的阀门，打开三氯氧磷鼓泡器的出气阀门和进气阀门，调节三氯氧磷鼓泡器进气的氧气质量流量计的进气速率为20-70sccm，调节第二氧气瓶的氧气质量流量计出气速率为500-1000sccm，所述的第一氧气瓶经第二管道、进气阀门、三氯氧磷鼓泡器进气的氧气质量流量计、第四管道向所述的三氯氧磷鼓泡器输入氧气，所述的三氯氧磷鼓泡器产生三氯氧磷，该三氯氧磷经第一管道向所述的沉积管中输入三氯氧磷，所述的第二氧气瓶经所述的第一管道向所述的沉积管中输入氧气，用所述的氢氧焰灯加热所述的沉积管至1200-1450℃，所述的移动平台以80-120mm/min的速度带动所述的氢氧焰灯从所述的沉积管头部移动到尾部，即完成掺磷工序，得到镱铝磷氟掺杂二氧化硅疏松体；7)玻璃化：关闭三氯氧磷鼓泡器的出气阀门和进气阀门，调节所述的第二氧气瓶的氧气质量流量计的出气速率为500-1000sccm，通过第一管道向所述的沉积管输入氧气，管内压力为80-100Pa，用所述的氢氧焰灯加热所述的沉积管至1900℃以上，所述的移动平台以80-120mm/min的速度带动所述的氢氧焰灯从所述的沉积管头部移动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镱铝磷氟掺杂石英光纤预制棒芯棒，其特征在于所述芯棒的玻璃组分如下：

【技术特征摘要】
1.一种镱铝磷氟掺杂石英光纤预制棒芯棒，其特征在于所述芯棒的玻璃组分如下：2.权利要求1所述的镱铝磷氟掺杂石英光纤预制棒芯棒的制备方法，采用改进的化学气相沉积系统结合溶液浸泡法进行制备，其特征在于该方法包括如下步骤：1)准备工作：取长度为600-1000mm的石英管作为沉积管(8-6)，该沉积管(8-6)洗净、烘干，将该沉积管(8-6)的一端与车床(8)的前端管(8-3)熔接，另一端与车床(8)的尾气管(8-7)熔接；配置溶液：将一定量的氯化铝和氯化镱加入乙醇中溶解，溶液中，氯化镱的浓度为0.01-0.04mol/L，氯化镱和氯化铝的摩尔比为1:8～12，构成氯化铝和氯化镱的混合乙醇溶液；2)抛光：打开第二氧气瓶(7)的阀门(7-1)调节第二氧气质量流量计(7-2)的速率为100-1000sccm，打开六氟化硫气瓶(4)的阀门(4-1)，调节六氟化硫质量流量计(4-2)的速率为10-100sccm速率，所述的第二氧气瓶(7)和六氟化硫气瓶(4)分别通过第一管道(9)向所述的沉积管(8-6)输入氧气和六氟化硫气体，用氢氧焰灯(8-5)加热所述的沉积管(8-6)至1900-2100℃，所述的移动平台(8-4)以80-120mm/min的速度带动所述的氢氧焰灯(8-5)从所述的沉积管(8-6)一端移动到另一端进行化学抛光；3)沉积：打开四氯化硅鼓泡器(2)的出气阀门(2-1)和进气阀门(2-2)，调节第二氧气质量流量计(7-2)的速率为500-1000sccm，调节六氟化硫质量流量计(4-2)的速率为3-10sccm、调节四氯化硅鼓泡器(2)的氧气质量流量计(2-3)的速率为100-200sccm，第一氧气瓶(1)中的氧气经第二管道(10)、所述的四氯化硅鼓泡器(2)的进气阀门(2-2)、四氯化硅鼓泡器(2)的氧气质量流量计(2-3)进入所述的四氯化硅鼓泡器(2)，所述的四氯化硅鼓泡器(2)产生的四氯化硅经四氯化硅鼓泡器(2)的出气阀门(2-1)、第一管道(9)向所述的沉积管(8-6)输入四氯化硅，同时所述的第二氧气瓶(7)和六氟化硫气瓶(4)通过第一管道(9)向所述的沉积管(8-6)输入氧气和六氟化硫气体，用所述的氢氧焰灯(8-5)加热所述的沉积管至1450-1650℃，所述的移动平台(8-4)以80-120mm/min的速度带动所述的氢氧焰灯(8-5)从所述的沉积管(8-6)头部移动到尾部，在所述的沉积管(8-6)内壁沉积一层白色氟掺杂的二氧化硅颗粒疏松体；4)浸泡法掺杂镱铝：关闭所有已打开的阀门，将所述的沉积管(8-6)和前端管(8-3)一并从车床(8)取下，将所述的沉积管(8-6)浸泡在所述的氯化铝和氯化镱的混合乙醇溶液中...

【专利技术属性】
技术研发人员：楼风光，于春雷，胡丽丽，王孟，许晓青，张磊，冯素雅，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