用于高功率光纖激光器的磷酸鹽硅酸鹽全玻璃混雜光纖的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于高功率光纖激光器的磷酸鹽硅酸鹽全玻璃混雜光纖，其特征在于使用磷酸鹽玻璃作為纖芯，硅酸鹽玻璃作為內(nèi)外包層玻璃，五氧化二磷P2O5和二氧化硅SiO2分別是這些磷酸鹽和硅酸鹽玻璃結(jié)構(gòu)中的主單元，并添加能夠改變玻璃物理化學(xué)性能的堿金屬氧化物，堿土金屬氧化物，中間體氧化物和稀土氧化物來制備而成，由于使用了磷酸鹽玻璃作為纖芯，大大地降低了甚至完全消除了普遍存在于石英光纖中的光子暗化現(xiàn)象，本發(fā)明中的玻璃組成能夠在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整，使得光纖的纖芯和內(nèi)包層玻璃，內(nèi)外包層玻璃之間的數(shù)值孔徑都能在較大的范圍內(nèi)調(diào)整，玻璃也能產(chǎn)生化學(xué)耐久性，有效地抵御環(huán)境的侵蝕，并能很好地與傳統(tǒng)的石英光纖焊接在一起。
【專利說明】用于高功率光纖激光器的磷酸鹽硅酸鹽全玻璃混雜光纖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于高功率光纖激光器的玻璃基質(zhì)，特別是一種使用稀土摻雜的磷酸鹽玻璃作為光纖纖芯基質(zhì)，娃酸鹽玻璃作為光纖包層基質(zhì)，屬于光纖及激光【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖激光器是以摻雜稀土元素的光纖為增益介質(zhì)的激光器，通過摻雜不同的稀土元素，如餌(Er)，鐿(Yb)，銩(Tm)，欽(Ho)，釹(Nd)等，光纖激光器的工作波段覆蓋了從紫外到中紅外。與其他激光器相比，光纖激光器具有激光工作閾值低，能量轉(zhuǎn)化率高、輸出光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定、無需光路調(diào)整、散熱性能好、壽命長和無需維護等鮮明特點，因此得到快速發(fā)展以及廣泛地應(yīng)用。
[0003]商用的石英光纖，目前已經(jīng)能輸出很高的功率。它的內(nèi)部主要由三層結(jié)構(gòu)組成，中央是纖芯，它與內(nèi)包層之間的數(shù)值孔徑相差不大，所以，纖芯組成的稍微變動，譬如去掉纖芯組成中稀土元素，內(nèi)包層的玻璃組成就能達到設(shè)計要求。但是內(nèi)包層和外包層之間的數(shù)值孔徑，一般設(shè)計要求比較大，可達到0.5左右，內(nèi)包層玻璃組成的稍微變動，不能達到對外包層理想的要求。所以目前商用的石英光纖就不得不用使用其他的材料，譬如塑料來作為它的外包層材料。由于玻璃和塑料的特性迥異，給它的焊接和應(yīng)用帶來了很多問題。隨著功率的進一步提高，塑料的不耐高溫的缺陷越來越突出。比較塑料，玻璃的耐高溫性能明顯高得多。因此，生產(chǎn)高功率全玻璃光纖的重要性越來越迫切。
[0004]我們已經(jīng)在生產(chǎn)高功率全玻璃光纖上做了一些探索，并申請了相應(yīng)的技術(shù)專利“用于高功率光纖激光器的硅酸鹽全玻璃光纖”。在這專利中，在不損害光纖的環(huán)境穩(wěn)定性的前提下，硅酸鹽玻璃組成經(jīng)過了最優(yōu)化調(diào)整，能夠有效地代替塑料作為光纖的外包層。
[0005]比較硅酸鹽玻璃，磷酸鹽玻璃基質(zhì)本身具有它特有的優(yōu)勢:1)稀土離子的高摻雜性。這個特性使得單位長度的磷酸鹽玻璃光纖能獲得更高的輸出功率和增益，于是減少了活化光纖的長度?；罨饫w長度的減少，又能進一步抑制光纖中一些不被期望的非線性效應(yīng)，譬如受激拉曼散射，受激布里淵散射等等。2)光子暗化效應(yīng)的抑制。伴隨著泵浦功率的逐步提高，石英光纖中光子暗化效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)出來，造成了輸出光的功率和質(zhì)量的大幅下滑。已經(jīng)有學(xué)者的研究報告顯示，即使在高的稀土離子的摻雜濃度下，磷酸鹽玻璃光纖也顯示出了顯著的光子暗化現(xiàn)象的抑制效應(yīng)。磷酸鹽玻璃的劣勢也是顯而易見的:1)低的化學(xué)穩(wěn)定性。容易在大氣環(huán)境下產(chǎn)生化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致光纖的激光性能相應(yīng)劣化。
2)與石英光纖的困難的焊接。由于與石英光纖有著截然不同的物化性能，磷酸鹽玻璃光纖與石英玻璃光纖之間的焊接是相當(dāng)困難的。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提出一種具有高的光子暗化效應(yīng)阻力的，環(huán)境穩(wěn)定的，適合于稀土離子摻雜的，以及易于與石英光纖焊接的高功率全玻璃光纖激光器。
[0007]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案加以實現(xiàn)的。[0008]一種用于高功率光纖激光器的磷酸鹽硅酸鹽全玻璃混雜光纖，其特征在于分別使用五氧化二磷P2O5或與石英光纖玻璃中相同的結(jié)構(gòu)基團的二氧化硅SiO2作為玻璃結(jié)構(gòu)的主單元，并添加能夠改變玻璃物理化學(xué)性能的堿金屬氧化物，堿土金屬氧化物，中間體氧化物，還有稀土氧化物來分別制備作為此種高功率玻璃光纖纖芯和內(nèi)外包層的磷酸鹽及硅酸鹽玻璃。
[0009]本發(fā)明中的堿金屬氧化物包括氧化鋰(Li2O),氧化鈉(Na2O),氧化鉀(K2O)氧化銫(Cs2O);堿土金屬氧化物包括氧化鎂(MgO),氧化鈣(CaO),氧化鋇(BaO);中間體氧化物一般指得是三氧化二招(Al2O3);稀土氧化物包括氧化鐿(Yb2O3)和氧化鉺(Er2O3)15
[0010]本發(fā)明所述的磷酸鹽玻璃纖芯的化學(xué)組成中，五氧化二磷P2O5、堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物，中間體氧化物和稀土氧化物的分子數(shù)百分比為:五氧化二磷的含量在50%至75%，堿金屬氧化物不大于15%，堿土金屬氧化物在10%至30%，中間體氧化物不大于25%，稀土氧化物不大于10%。
[0011]本發(fā)明所述的硅酸鹽玻璃包層的化學(xué)組成中，二氧化硅SiO2、堿金屬氧化物，堿土金屬氧化物和中間體氧化物的分子數(shù)百分比為:二氧化硅的含量在30%至70%，堿金屬氧化物在5%至30%，堿土金屬氧化物在5%至30%，中間體氧化物不大于30%。
[0012]本發(fā)明中的磷酸鹽和硅酸鹽玻璃的組成都能夠在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整，使得磷酸鹽玻璃光纖纖芯和硅酸鹽玻璃內(nèi)包層，硅酸鹽玻璃內(nèi)外包層的玻璃之間的數(shù)值孔徑都能在較大的范圍內(nèi)調(diào)整，從而克服了石英光纖的外包層因無玻璃組成可調(diào)整，光纖的外包層不得不使用塑料的困境，從而能實現(xiàn)全玻璃化光纖。
[0013]本發(fā)明的另一 大優(yōu)勢在于，由于使用了磷酸鹽玻璃作為纖芯，大大地降低了甚至完全消除了普遍存在于石英光纖中的光子暗化現(xiàn)象。
[0014]作為纖芯的磷酸鹽玻璃，雖然它的化學(xué)穩(wěn)定性低，但在光纖端面的橫截面中，所占的比例較小，所以光纖的物化性質(zhì)主要由作為內(nèi)外包層的硅酸鹽玻璃所決定。本發(fā)明的硅酸鹽包層玻璃的化學(xué)組成能有效地優(yōu)化，以使這種硅酸鹽玻璃能達到和石英玻璃相似的耐侵蝕性能，有效地抵御來自外環(huán)境的侵蝕。
[0015]也由于作為包層的硅酸鹽玻璃的主結(jié)構(gòu)基團與石英玻璃完全相同，它們的玻璃性能具有相似性，極大地方便了此種硅酸鹽玻璃光纖與商用石英玻璃光纖之間的有效焊接。
[0016]
【具體實施方式】
[0017]下面對本發(fā)明作進一步描述:
磷酸鹽纖芯玻璃的制備工藝:
首先，五氧化二磷，堿金屬及堿土金屬的碳酸化物，中間體氧化物，以及稀土氧化物一起放在瑪瑙研缽中良好混合，然后把它們倒入到鉬金坩堝中，一起放入到預(yù)先升至1500度左右的高溫爐中加熱，熔制時間約為50小時，以使玻璃原料充分反應(yīng)后，將玻璃液傾倒在預(yù)熱好的鑄鐵模具里，待充分固化后放入退火爐子中冷卻至室溫后取出待用。如此得到的磷酸鹽玻璃除非加工，一般情況下保存在干燥器里。如此得到的玻璃與石英玻璃相比，具有低的玻璃熔制溫度，寬的玻璃光纖拉制溫度區(qū)間。
[0018]硅酸鹽包層玻璃的制備工藝:首先，二氧化硅，堿金屬及堿土金屬的碳酸化物，以及中間體氧化物一起放在瑪瑙研缽中良好混合，然后把它們倒入到鉬金坩堝中，一起放入到預(yù)先升至1600度左右的高溫爐中加熱，在高溫下熔制約25小時，以使玻璃原料充分反應(yīng)后，將玻璃液傾倒在預(yù)熱好的鑄鐵模具里，待充分固化后放入退火爐子中冷卻至室溫后取出待用。如此得到的玻璃與石英玻璃相比，具有低的玻璃熔制溫度，寬的玻璃光纖拉制溫度區(qū)間，及良好的抗環(huán)境侵蝕能力。
[0019]取出的玻璃塊經(jīng)質(zhì)量檢測后，通過專用設(shè)備來制備好預(yù)制棒，然后送入特殊光纖拉絲塔中拉出合乎 要求的磷酸鹽硅酸鹽全玻璃混雜光纖。
【權(quán)利要求】
1.一種用于高功率光纖激光器的磷酸鹽硅酸鹽全玻璃混雜光纖，其特征在于使用磷酸鹽玻璃作為纖芯，硅酸鹽玻璃作為內(nèi)外包層玻璃，五氧化二磷P2O5和二氧化硅SiO2分別是這些磷酸鹽和硅酸鹽玻璃結(jié)構(gòu)中的主單元，并添加能夠改變玻璃物理化學(xué)性能的堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物，中間體氧化物和稀土氧化物來制備而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高功率光纖激光器的磷酸鹽硅酸鹽全玻璃混雜光纖，其特征在于堿金屬氧化物包括氧化鋰(Li2O),氧化鈉(Na2O),氧化鉀(K2O)和氧化銫(Cs2O)0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高功率光纖激光器的磷酸鹽硅酸鹽全玻璃混雜光纖，其特征在于堿土金屬氧化物包括氧化鎂(MgO),氧化韓(CaO)和氧化鋇(BaO)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高功率光纖激光器的磷酸鹽硅酸鹽全玻璃混雜光纖，其特征在于中間體氧化物一般指得是三氧化二鋁。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高功率光纖激光器的磷酸鹽硅酸鹽全玻璃混雜光纖，其特征在于稀土氧化物包括氧化鐿(Yb2O3)和氧化鉺(Er2O3)15
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高功率光纖激光器的磷酸鹽硅酸鹽全玻璃混雜光纖，作為纖芯的磷酸鹽玻璃組成的特征在于五氧化二磷P2O5、堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物，中間體氧化物和稀土氧化物的分子數(shù)百分比為:五氧化二磷的含量在50%至75%，堿金屬氧化物不大于15%，堿土金屬氧化物在10%至30%，中間體氧化物不大于25%，稀土氧化物不大于10%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高功率光纖激光器的磷酸鹽硅酸鹽全玻璃混雜光纖，作為包層的硅酸鹽玻璃組成的特征在于二氧化硅SiO2、堿金屬氧化物，堿土金屬氧化物和中間體氧化物的分子數(shù)百分比為:二氧化硅的含量在30%至70%，堿金屬氧化物在5%至30%，堿土金屬氧化物在5%至30%，中間體氧化物不大于30%。
【文檔編號】C03C13/04GK103964696SQ201410224165
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】史偉, 姚治東 申請人:山東海富光子科技股份有限公司