本發(fā)明涉及光纖預(yù)制棒和激光玻璃，特別是一種大模場摻稀土石英光纖預(yù)制棒芯棒的制備方法及石英基激光玻璃的均化制備方法。

背景技術(shù)：

為滿足工業(yè)加工應(yīng)用的更高激光功率的要求，同時(shí)又降低稀土摻雜石英光纖的單位面積激光承載功率，減少非線性效應(yīng)和激光損傷，高功率激光光纖正在朝著大模場光纖的方向發(fā)展。自2004年以來，英國南安普頓大學(xué)(Optics Express,2004,Vol.12,No.25,pp.6088-6092)和德國Jena光子技術(shù)研究所聯(lián)合Heraeus公司(SPIE會議文集，2008年的6873卷，pp.687311-1-9)進(jìn)行了大模場摻Y(jié)b特種光纖的研制工作。

目前較成熟的稀土摻雜石英光纖預(yù)制棒的制備方法是改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積(MCVD)結(jié)合溶液浸泡法。該方法的缺點(diǎn)是：由于摻雜均勻性和摻雜過程應(yīng)力控制的限制，很難實(shí)現(xiàn)大芯徑的稀土摻雜石英芯棒的制備。2010年公開的德國Heraeus公司和德國Jena光子技術(shù)研究所聯(lián)合申請的一項(xiàng)美國專利(US 2010/0251771 A1)提出了一種摻雜石英玻璃的制備方法。該方法從含50wt％氧化硅納米粉的氨水溶液出發(fā)，加入AlCl₃,YbCl₃的水溶液，形成均勻摻雜Al³⁺,Yb³⁺離子的SiO₂顆粒。通過造粒、干燥、等靜壓成型、脫水、燒結(jié)和玻璃化，形成均勻摻雜的石英玻璃。采用該方法可以制備長度200mm,直徑15mm的摻Y(jié)b石英玻璃芯棒，并用它制備了1200nm處背底損耗為50dB/km的摻Y(jié)b石英大模場棒狀光纖。但這種方法的局限性在于只能實(shí)現(xiàn)Yb³⁺,Al³⁺共摻石英玻璃芯棒的制備，不能實(shí)現(xiàn)Yb³⁺,Al³⁺,P⁵⁺共摻，從而較難控制高功率激光輸出應(yīng)用情況下的光致暗化效應(yīng)。并且該方法是用氧化硅納米粉固相出發(fā)，較難從根本上解決芯棒玻璃的光學(xué)均勻性問題。

2013年3月公開的長飛光纖光纜有限公司的發(fā)明專利“一種稀土均勻摻雜預(yù)制棒芯棒及其制備”(公開號：CN 102992613 A)。該方法采用10-200nm的納米氧化硅粉作為原料，溶解在pH＝7-11、含摻雜離子的水或乙醇溶液中，經(jīng)過脫水、造粒處理后得到含摻雜物的氧化硅粉。采用等靜壓和氣氛燒結(jié)獲得摻稀土離子的石英玻璃芯棒。該發(fā)明獲得了折射率波動在±10％以內(nèi)的芯棒玻璃。但該發(fā)明采用的是納米氧化硅原料，不是從純?nèi)芤悍ㄖ苽浞勰?，難以從根本上解決有多種摻雜離子情況下的均勻性問題。

2013年本發(fā)明人所在課題組發(fā)展了一種以溶膠凝膠工藝制備大模場摻鐿光纖預(yù)制棒芯棒的技術(shù)，并申請了發(fā)明專利“摻Y(jié)b石英光纖預(yù)制棒芯棒的制備方法”(專利公開號103373811A)。該發(fā)明專利著重介紹了大尺寸的摻鐿芯棒玻璃的制備方法，其不足之處是玻璃中的二價(jià)鐿離子及低價(jià)雜質(zhì)離子的含量仍較高，導(dǎo)致最終的光纖損耗仍處于較高水平。另一方面，稀土摻雜石英玻璃的光學(xué)均勻性仍較差，無法滿足激光玻璃介質(zhì)的應(yīng)用要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，根據(jù)高功率光纖激光器和固態(tài)激光器發(fā)展的需求，提供一種稀土摻雜石英玻璃棒的均化制備方法。應(yīng)用該方法獲得的稀土摻雜石英玻璃棒既可用來制備大尺寸、高均勻性大模場雙包層摻稀土石英光纖，又可制備光學(xué)均勻性更高的稀土摻雜石英玻璃。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：

一種稀土摻雜石英玻璃棒的均化制備方法，包括下列步驟：

①將基于粉體燒結(jié)工藝制備的稀土摻雜石英玻璃加工成直徑6-10mm、長度50-200mm的玻璃棒置于玻璃燈工車床上利用氫氧焰進(jìn)行微區(qū)加熱，調(diào)整火焰使得加熱高溫區(qū)長度小于1cm，按照化學(xué)反應(yīng)比例關(guān)系，氫氣和氧氣按照2比1的關(guān)系反應(yīng)生成水分，為了獲取富氧氣氛，需要增加氧氣流量，使氧氣與氫氣的流量比例從常規(guī)的0.5提高到1，加熱溫度至2000℃-2100℃范圍，利用車床旋轉(zhuǎn)對高溫加熱的玻璃區(qū)域進(jìn)行二次高溫均化處理，車床轉(zhuǎn)動速度以稀土摻雜石英玻璃不會因重力軟化掉落為宜，通常旋轉(zhuǎn)速度為60-70轉(zhuǎn)/分鐘，氫氧焰以一定的速度從一端向另一端緩慢往復(fù)移動加熱，通常火焰移動速度為30-40mm/分鐘；

②上述稀土摻雜石英玻璃棒往復(fù)移動加熱均化的次數(shù)為10次-15次；

③將氫氧焰溫度調(diào)至1500℃-1600℃左右，對上述均化完成的稀土摻雜石英玻璃棒從一端向另一端移動加熱進(jìn)行退火處理，火焰移動速度為80-100mm/分鐘；

④完成玻璃退火后，取下稀土摻雜石英玻璃棒，得到高光學(xué)均勻性的稀土摻雜石英玻璃棒。

將上述二次加熱均化后的稀土摻雜石英玻璃棒進(jìn)行光學(xué)加工得到實(shí)際應(yīng)用所需直徑的稀土摻雜石英玻璃棒，該玻璃棒既可以用作光纖預(yù)制棒芯棒，也可用作棒狀激光玻璃介質(zhì)。

本發(fā)明的有益效果：

1、可以有效提高稀土摻雜石英玻璃的光學(xué)均勻性；

2、可以有效減少低價(jià)態(tài)稀土離子及雜質(zhì)離子的含量，利于發(fā)光性能的提高及光纖損耗的降低；

附圖說明

圖1是實(shí)施例1摻鐿石英玻璃棒微區(qū)加熱二次熔融均化前后顯微熒光照片對比，其中，a為實(shí)施例1摻鐿石英玻璃棒微區(qū)加熱二次熔融均化前微熒光照片，b為實(shí)施例1摻鐿石英玻璃棒微區(qū)加熱二次熔融均化后微熒光照片。

圖2是應(yīng)用例摻鐿芯棒微區(qū)加熱二次熔融均化前后制備得到的稀土摻雜石英光纖的顯微照片，其中，a為應(yīng)用例摻鐿芯棒微區(qū)加熱二次熔融均化前制備得到的稀土摻雜石英光纖的顯微照片，b為應(yīng)用例摻鐿芯棒微區(qū)加熱二次熔融均化后制備得到的稀土摻雜石英光纖的顯微照片。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例分別就本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明中將已制備的稀土摻雜石英玻璃棒置于玻璃燈工車床上，利用氫氧焰對芯棒玻璃局部微區(qū)進(jìn)行加熱，加熱時(shí)芯棒處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)。加熱時(shí)使氧氣過量，獲得富氧氣氛，在摻雜石英玻璃軟化狀態(tài)下，對玻璃進(jìn)行氧化及高溫均化處理，從而有效減少玻璃內(nèi)部的低價(jià)態(tài)離子含量，同時(shí)大幅提高玻璃的均勻性。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例利用粉體燒結(jié)工藝燒制的摻鐿石英玻璃棒，進(jìn)行高溫微區(qū)加熱，均化制備高質(zhì)量稀土摻雜石英玻璃棒。該方法包括下列步驟：

①將基于粉體燒結(jié)工藝制備的稀土摻雜石英玻璃加工成直徑10mm、長度50mm的玻璃棒置于玻璃燈工車床上利用氫氧焰進(jìn)行微區(qū)加熱，調(diào)整火焰使得加熱高溫區(qū)長度小于1cm，按照化學(xué)反應(yīng)比例關(guān)系，氫氣和氧氣按照2比1的關(guān)系反應(yīng)生成水分，為了獲取富氧氣氛，需要增加氧氣流量，使氧氣與氫氣的流量比例從常規(guī)的0.5提高到1，加熱溫度至2000℃，利用車床旋轉(zhuǎn)對高溫加熱的玻璃區(qū)域進(jìn)行二次高溫均化處理；車床轉(zhuǎn)動速度為60轉(zhuǎn)/分鐘，氫氧焰以30mm/分鐘的速度從一端向另一端緩慢往復(fù)移動加熱。

②上述稀土摻雜石英玻璃棒往復(fù)移動加熱均化15次，停止加熱，完成高溫均化過程。

③將氫氧焰溫度調(diào)至1600℃左右，對上述均化完成的稀土摻雜石英玻璃棒從一端向另一端移動加熱進(jìn)行低溫退火處理，火焰移動速度為80mm/分鐘。

④完成玻璃退火后，取下稀土摻雜石英玻璃棒，即制備得到高光學(xué)均勻性的稀土摻雜石英玻璃棒。

對二次加熱均化前后的芯棒玻璃進(jìn)行顯微熒光分析，結(jié)果如圖1所示。可見經(jīng)過高溫微區(qū)加熱處理后的玻璃發(fā)光變得更為均勻。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例利用粉體燒結(jié)工藝燒制的摻鐿石英玻璃棒，進(jìn)行高溫微區(qū)加熱，均化制備高質(zhì)量稀土摻雜石英玻璃棒。該方法包括下列步驟：

①將基于粉體燒結(jié)工藝制備的稀土摻雜石英玻璃加工成直徑6mm、長度200mm的玻璃棒置于玻璃燈工車床上利用氫氧焰進(jìn)行微區(qū)加熱，調(diào)整火焰使得加熱高溫區(qū)長度小于1cm，按照化學(xué)反應(yīng)比例關(guān)系，氫氣和氧氣按照2比1的關(guān)系反應(yīng)生成水分，為了獲取富氧氣氛，需要增加氧氣流量，使氧氣與氫氣的流量比例從常規(guī)的0.5提高到1，加熱溫度至2100℃，利用車床旋轉(zhuǎn)對高溫加熱的玻璃區(qū)域進(jìn)行二次高溫均化處理。車床轉(zhuǎn)動速度為80轉(zhuǎn)/分鐘，氫氧焰以40mm/分鐘的速度從一端向另一端緩慢往復(fù)移動加熱。

⑤上述稀土摻雜石英玻璃棒往復(fù)移動加熱均化10次，停止加熱，完成高溫均化過程。

⑥將氫氧焰溫度調(diào)至1500℃左右，對上述均化完成的稀土摻雜石英玻璃棒從一端向另一端移動加熱進(jìn)行低溫退火處理，火焰移動速度為100mm/分鐘。

⑦完成玻璃退火后，取下稀土摻雜石英玻璃棒，即制備得到高光學(xué)均勻性的稀土摻雜石英玻璃棒。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例是利用粉體燒結(jié)工藝燒制的摻釹石英玻璃棒，進(jìn)行高溫微區(qū)加熱，均化制備高質(zhì)量釹摻雜石英玻璃棒。該方法包括下列步驟：

①將基于粉體燒結(jié)工藝制備的釹摻雜石英玻璃加工成直徑6mm、長度100mm的玻璃棒置于玻璃燈工車床上利用氫氧焰進(jìn)行微區(qū)加熱，調(diào)整火焰使得加熱高溫區(qū)長度小于1cm，按照化學(xué)反應(yīng)比例關(guān)系，氫氣和氧氣按照2比1的關(guān)系反應(yīng)生成水分，為了獲取富氧氣氛，需要增加氧氣流量，使氧氣與氫氣的流量比例從常規(guī)的0.5 提高到1，加熱溫度至2000℃，利用車床旋轉(zhuǎn)對高溫加熱的玻璃區(qū)域進(jìn)行二次高溫均化處理。車床轉(zhuǎn)動速度為60轉(zhuǎn)/分鐘，氫氧焰以30mm/分鐘的速度從一端向另一端緩慢往復(fù)移動加熱；

②上述稀土摻雜石英玻璃棒往復(fù)移動加熱均化10次，停止加熱，完成高溫均化過程；

③將氫氧焰溫度調(diào)至1600℃左右，對上述均化完成的稀土摻雜石英玻璃棒從一端向另一端移動加熱進(jìn)行低溫退火處理，火焰移動速度為100mm/分鐘；

④完成玻璃退火后，取下釹摻雜石英玻璃棒，即得到高光學(xué)均勻性的釹摻雜石英玻璃棒。

應(yīng)用實(shí)施例

利用實(shí)施例1均化制備的摻鐿石英玻璃棒作為芯棒，用套管法拉制光纖，對比測試均化前后玻璃拉制光纖的顯微形貌，如圖2所示。可見經(jīng)過高溫微區(qū)加熱處理后的芯棒玻璃較之未處理的芯棒所制備的光纖內(nèi)部光學(xué)均勻性明顯獲得了提高。