高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤及器件制造技术

本发明专利技术涉及一种高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤及器件。所述光纤的包层为石英玻璃，纤芯前驱体为高掺杂稀土离子的多组分锗酸盐玻璃，采用纤芯熔融法制备复合玻璃光纤，所得复合玻璃光纤无析晶，在2μm波段的最大单位增益＞2.5dB/cm，且具有优异的机械性能，易与标准的石英光纤熔接。本发明专利技术还提供了基于此复合玻璃光纤构建的全光纤的2μm波段单频光纤激光器和锁模光纤激光器。

High gain rare earth doped germanate glass core composite glass fiber and devices

【技术实现步骤摘要】
高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤及器件
本专利技术涉及光纤及光纤激光器领域，具体涉及一种高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤及器件。
技术介绍
2μm波段激光位于人眼安全波长范围内且处于大气光传输的低损耗窗口，包含了1940nm附近的水吸收峰，在激光雷达、激光探测、激光医疗和环境监测等许多领域有重要应用价值。此外，2μm波段激光也是中红外激光(3-5μm)的理想泵浦源。目前，2μm波段光纤激光器已成为激光技术研究领域中的热点之一。产生2μm波段发光的稀土离子主要有Tm3+和Ho3+，通过在玻璃中溶解高浓度的Tm3+和/或Ho3+，进而制备出高增益的2μm光纤，是2μm波段光纤激光器的核心材料。石英玻璃存在固有的分相区，其稀土离子溶解度低(一般小于2wt.％)，导致其在2μm波段的增益系数较低(通常≤1dB/cm)。而多组分玻璃具有高的稀土离子溶解度，通常用来制备高增益光纤。其中，锗酸盐玻璃具有高的红外透过性能和较低的声子能量，是理想的中红外光纤激光基质材料。特别是用于红外透过窗口材料的钡镓锗玻璃(BaO-Ga2O3-GeO2)，已在军事和民用上获得了实际的应用。但是锗酸盐玻璃易析晶，特别是在采用传统的管棒法拉丝时，纤芯玻璃会经过两次热拉过程，更容易析晶，导致光纤损耗大，从而降低了光纤的增益。此外，锗酸盐玻璃的软化温度和石英玻璃的软化温度相差较大，导致锗酸盐玻璃光纤很难与标准的石英光纤进行熔接，不利于光纤激光器的全光纤化，从而会降低激光器的稳定性、斜率效率和输出功率等。纤芯熔融法是指当包层玻璃开始拉丝时，纤芯处于熔融状态，并随着包层玻璃一起成丝快速冷却至室温，它要求包层玻璃具有优异的热拉性能和光学性能。纤芯熔融法是一种广泛适用的制备复合玻璃光纤的技术，已成功通过此技术制备出金属-玻璃复合光纤、半导体-玻璃复合光纤、玻璃-玻璃复合光纤、纳米晶-玻璃复合光纤的前驱体光纤、金属-玻璃-半导体光电光纤等复合玻璃光纤。但未见采用纤芯熔融法制备高掺稀土锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤及器件的报道。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于提供一种高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤，其不会出现析晶情况，具有优异的机械性能，能与标准的石英光纤熔接，且在2μm波段具有高的单位增益(最大单位增益＞2.5dB/cm)，同时提供基于此复合玻璃光纤构建的器件，具体可为全光纤的单频光纤激光器和锁模光纤激光器。具体技术方案如下：一种高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤，其包层为石英玻璃，纤芯前驱体为高掺杂稀土离子的多组分锗酸盐玻璃，采用纤芯熔融法制备，所得复合玻璃光纤无析晶，在2μm波段的最大单位增益＞2.5dB/cm。本专利技术的另一目的在于提供基于如上所述复合玻璃光纤构建的器件。本专利技术的另一目的在于提供基于如上所述复合玻璃光纤构建的全光纤的单频光纤激光器。本专利技术的另一目的在于提供基于如上所述复合玻璃光纤构建的全光纤的锁模光纤激光器。与现有技术相比较，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术采用纤芯熔融法制备复合玻璃光纤，纤芯前驱体为高掺杂稀土离子锗酸盐玻璃，可实现高效的2μm波段发光；包层为石英玻璃，具有优异的热拉特性和光学性能，且能保证在拉丝时，锗酸盐玻璃处于熔融态，同时，专利技术人发现，当采用纤芯熔融法制备复合玻璃光纤，其锗酸盐玻璃纤芯能够从熔融态快速冷却至室温，从而跃过了析晶区，制备出无析晶的复合玻璃光纤。由此，采用纤芯熔融法可解决锗酸盐玻璃在采用传统的管棒法拉制光纤时易析晶的问题，且制备的复合玻璃光纤在2μm波段具有高的单位增益，能与标准的石英光纤熔接。可用于构建全光纤的线性短腔，分别实现2μm波段单频光纤激光和锁模光纤激光输出，直接输出的2μm波段的单频激光的功率大于100mW，斜率效率＞20％；直接输出的2μm波段的锁模激光的重复频率＞25MHz，脉宽＜100ps。附图说明图1为实施例1中基于制备的复合玻璃光纤构建的全光纤单频光纤激光器的光路图；图2为实施例1中基于制备的复合玻璃光纤构建的全光纤锁模光纤激光器的光路图。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述，但本专利技术的实施方式不限于此，对未特别说明的工艺参数，可参照常规技术进行。本专利技术的实施例提供一种高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤，其包层为石英玻璃，纤芯前驱体为高掺杂稀土离子的多组分锗酸盐玻璃，采用纤芯熔融法制备，所得复合玻璃光纤无析晶，在2μm波段的最大单位增益＞2.5dB/cm。进一步地，所述高掺杂稀土离子的多组分锗酸盐玻璃采用熔融-退火法制备，然后采用机械冷加工成细棒状，并经物理、化学抛光后作为所述纤芯前驱体，与所述石英玻璃管组装成光纤预制棒，并拉制，得到所述复合玻璃光纤。进一步地，所述复合玻璃光纤拉制过程中，先将拉丝炉升至1500～1700℃，然后将光纤预制棒置于所述拉丝炉，再以20～30℃/min的速率升温至1800～2000℃，以200～400m/min的速率快速拉丝，拉丝过程中，对光纤预制棒进行抽真空。由于锗酸盐玻璃与石英玻璃的软化温度相差很大，通过对拉丝工艺进行合理控制，低温快速拉丝，减少光纤预制棒在高温区停留的时间，从而有效控制拉丝过程中包层元素扩散进入到纤芯以及避免纤芯发生变形。进一步地，所述复合玻璃光纤拉制过程中，先将拉丝炉升至1580～1620℃，然后将光纤预制棒置于所述拉丝炉，再以24～26℃/min的速率升温至1880～1920℃，以280～320m/min的速率快速拉丝，拉丝过程中，对光纤预制棒进行抽真空。进一步地，所述多组分锗酸盐玻璃包括氧化物组分和稀土离子的氧化物组分；所述氧化物组分包括BaO、Ga2O3和GeO2，以及La2O3和/或Nb2O5用以调节玻璃的物化性能；所述稀土离子的氧化物组分为Tm2O3、Tm2O3/Yb2O3、Tm2O3/Ho2O3、Ho2O3/Yb2O3、Er2O3/Tm2O3、Er2O3/Ho2O3、Nd2O3/Ho2O3、Bi2O3/Tm2O3、Bi2O3/Ho2O3、Nd2O3/Ho2O3/Yb2O3、Tm2O3/Ho2O3/Yb2O3、Cr2O3/Tm2O3/Ho2O3、Er2O3/Tm2O3/Ho2O3中的任一种。进一步地，所述多组分锗酸盐玻璃中，所述稀土离子的氧化物组分占所述氧化物组分的比例为＞5wt.％，高掺杂稀土发光离子是实现高增益的前提，这也是前述“高掺杂”的掺杂浓度要求。其它激活离子同样适用，如用于1μm波段激光的Yb3+和Nd3+，用于1.5μm波段激光的Er3+，用于近红外宽带发光的主族金属元素Bi和Te，过渡金属元素Cr、Ni以及Mn。进一步地，所述氧化物组分至少包括Nb2O5，Nb2O5占所述氧化物组分的比例为2.5～7.5wt.％。通过添加Nb2O5来控制基质玻璃中非桥氧和桥氧的比例来调控玻璃的网络结构，从而提高稀土离子在基质玻璃中的溶解度和分散性，实现高效发光。更进一步地，如上所述的高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤，其特征在于，其包层为石英玻璃，纤芯前驱体为高掺杂稀土离子的多组分锗酸盐玻璃，采用纤芯熔融法制备，所得复合玻璃光纤无析晶，在2μm波段的最大单位增益＞2.5dB/cm。/n

【技术特征摘要】
1.一种高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤，其特征在于，其包层为石英玻璃，纤芯前驱体为高掺杂稀土离子的多组分锗酸盐玻璃，采用纤芯熔融法制备，所得复合玻璃光纤无析晶，在2μm波段的最大单位增益＞2.5dB/cm。


2.根据权利要求1所述的高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤，其特征在于，所述高掺杂稀土离子的多组分锗酸盐玻璃采用熔融-退火法制备，然后采用机械冷加工成棒状，并经物理、化学抛光后作为所述纤芯前驱体，与所述石英玻璃组装成光纤预制棒，并拉制，得到所述复合玻璃光纤。


3.根据权利要求2所述的高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤，其特征在于，所述复合玻璃光纤拉制过程中，先将拉丝炉升至1500～1700℃，然后将光纤预制棒置于所述拉丝炉，再以20～30℃/min的速率升温至1800～2000℃，以200～400m/min的速率快速拉丝，拉丝过程中，对光纤预制棒进行抽真空。


4.根据权利要求3所述的高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤，其特征在于，所述复合玻璃光纤拉制过程中，先将拉丝炉升至1580～1620℃，然后将光纤预制棒置于所述拉丝炉，再以24～26℃/min的速率升温至1880～1920℃，以280～320m/min的速率快速拉丝，拉丝过程中，对光纤预制棒进行抽真空。


5.根据权利要求1～4任一项所述的高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤，其特征在于，所述多组分锗酸盐玻璃包括氧化物组分和稀土离子的氧化物组分；所述氧化物组分包括BaO、Ga2O3和GeO2，以及La2O3和/或Nb2O5用以调节玻璃的物化性能；所述稀土离子的氧化物组分为Tm2O3、Tm2O3/Yb2O3、Tm2O3/Ho2O3、Ho2O3/Yb2O3、E...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨中民，唐国武，钱奇，涂乐，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44