一种稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤及制造方法与流程

本发明涉及一种稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤及制造方法，属于玻璃光纤制备技术领域。

背景技术：

对于微晶玻璃的研究已比较成熟，国内外已成功制备出各种各样的氟化物微晶玻璃，然而对于稀土掺杂的微纳米晶玻璃光纤的研究却进展缓慢。主要的原因在于微晶玻璃在拉制成光纤的过程中，玻璃中的微纳米晶体会进一步长大，使得光纤的散射损耗剧增。2001年，康宁公司的B.N.Samson等人采用双坩埚法制备出含有CdF₂,PbF₂,和YF₃微纳米晶体的Nd³⁺掺杂的微晶玻璃光纤，利用该光纤实现了1.064μm光纤激光输出，斜率效率达到28％。2002年，该团队采用管棒法制备出Ni掺杂的硅酸盐微晶玻璃光纤，通过后续的热处理在光纤纤芯中析出MgAl₂O₄晶体，使得光纤在1100-1300nm范围内的增益得到增强。由于玻璃析出微晶过程中由于晶体的析出会造成玻璃体积的微小变化，导致光纤纤芯与界面之间结合处出现缺陷，从而使光纤的损耗增加。2011年，法国的W.Blanc等采用MCVD的方法，制备出Er³⁺掺杂纳米晶玻璃为纤芯石英玻璃为包层的复合光纤材料,通过微晶化，Er³⁺的近红外增益带宽得到展宽。然而，MCVD的方法只适用于单组分的玻璃光纤的制备。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用全新成分结构设计，能够有效提高光信号传输效率的稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤，包括纤芯，以及包裹在纤芯外层的套管；纤芯采用稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃材料制成，套管采用石英玻璃材料制成。

作为本发明的一种优选技术方案：所述制成纤芯的稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃材料中包括硅酸盐玻璃材料、磷酸盐玻璃材料、碲化物玻璃材料、硫化物玻璃材料或氟化物玻璃材料中的任意一种。

作为本发明的一种优选技术方案：所述制成套管的石英玻璃材料为高纯石英玻璃材料。

本发明所述一种稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计的稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤，采用石英玻璃作为套管，通过采用稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃材料作为纤芯材料，提高了稀土离子的发光效率，并且采用石英玻璃作为包层材料，可以避免在微晶玻璃拉制过程中纤芯中的微纳米晶体二次长大，并且在热处理过程中，由于光纤的套管材料与纤芯材料的热性能相差比较大，在纤芯材料析晶温度下进行热处理时，套管材料中并不析出晶体，这样纤芯材料中析出微晶提高了纤芯中稀土离子的增益特性，而套管材料由于并未析晶，透过率就不会因为析晶而导致损耗增加，进而有效提高了所设计微晶玻璃光纤的光信号传输效率。

与上述技术方案相对应，本发明所要解决的技术问题是还提供一种采用全新架构设计，步骤逻辑清晰，能够有效提高生产效率的针对稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤的制造方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤的制造方法，包括如下步骤：

步骤001.根据预设成分组成，获得稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃，并进入步骤002；

步骤002.采用稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃，制成预设尺寸的纤芯细棒，并进入步骤003；

步骤003.采用石英玻璃制成套管，且套管的孔径与纤芯细棒的外径相适应，并进入步骤004；

步骤004.针对纤芯细棒和套管进行清洗预处理，接着将套管套设在纤芯细棒的外层，并针对套管内部进行抽真空处理，再针对套管进行密封，获得光纤预制棒，然后进入步骤005；

步骤005.在所述制成套管的石英玻璃材料的软化温度下，根据预设拉丝速度、预设所获光纤尺寸针对光纤预制棒进行拉丝操作，获得光纤，然后进入步骤006；

步骤006.在所述稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃的析晶温度下，针对光纤进行热处理，控制稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃所制成的纤芯进行析晶处理，最终获得光纤。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤001中，针对预设的组成成分，依次经过称料、混合、融制、搅拌、澄清、成型、退火各个操作，获得稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤001中，针对预设的组成成分，所述融制的温度为1300℃-1500℃，融制时间为30分钟-2小时，采用石英搅拌杠进行搅拌，且搅拌的速度为5r/min-60r/min。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤002中，针对稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃，依次经过切割、粗磨、粗抛光、精抛光，制成预设尺寸的纤芯细棒。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤004，针对纤芯细棒和套管，采用酒精浸泡进行清洗，实现预处理操作。

本发明所述一种稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤采用的制造方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计的稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤的制造方法，基于纤芯和套管分别采用不同材料的设计，进一步设计微晶玻璃光纤的具体制造方法，整个架构逻辑清晰，根据纤芯和套管不同材料析晶温度之间较大的不同，一方面避免在微晶玻璃拉制过程中纤芯中的微纳米晶体二次长大，另一方面在热处理过程中，仅需考虑纤芯材料析晶温度，在纤芯材料析晶温度下进行热处理时，套管材料中并不析出晶体，使得纤芯材料中析出微晶提高了纤芯中稀土离子的增益特性，而套管材料由于并未析晶，透过率就不会因为析晶而导致损耗增加，进而有效提高了所设计微晶玻璃光纤的光信号传输效率，因此，整个设计制造方法步骤方便快捷，大大提高了生产工作效率。

附图说明

图1是本发明所设计稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤的剖面示意图；

图2是本发明实施例中纤芯材料的示差扫描量热法曲线示意图；

图3是本发明实施例中微晶玻璃光纤热处理前后的X射线衍射曲线示意图；

图4是本发明实施例中纤芯的荧光光谱示意图；

图5是本发明实施例中纤芯荧光衰减曲线示意图。

其中，1.套管，2.纤芯。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

采用氟氧化物微晶玻璃作为稀土掺杂的增益光纤基质材料具有以下几个方面的优势；一方面，氟氧化物玻璃在～3μm处具有较高的透过率，且其机械强度及物理化学性能相比于氟化物玻璃都更优。另一方面，当稀土离子富集于氟化物微纳米晶体格位中时，由于氟化物微纳米晶具有极低的声子能量，将大大降低稀土离子的无辐射跃迁概率，增强其发光效率。此外，光纤的散射损耗与微纳米晶体的尺寸成正比，与激光运行波长的四次方成反比。微晶玻璃中的氟化物微纳米晶体的尺寸一般为几纳米到几十纳米，而光纤的激光运行波长在较长的～3μm处，因此，由微纳米晶体产生的散射损耗可忽略不计。采用稀土掺杂的氟氧化物微晶玻璃作为光纤纤芯，制备在～3μm具有高增益、低损耗的微晶玻璃光纤，对发展高效率、高功率～3μm光纤激光器具有重大的意义。

如图1所示，本发明所设计的一种稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤，包括纤芯，以及包裹在纤芯外层的套管；纤芯采用稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃材料制成，套管采用石英玻璃材料制成；其中，制成纤芯的稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃材料中包括硅酸盐玻璃材料、磷酸盐玻璃材料、碲化物玻璃材料、硫化物玻璃材料或氟化物玻璃材料中的任意一种；制成套管的石英玻璃材料为高纯石英玻璃材料。上述技术方案所设计的稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤，采用石英玻璃作为套管，通过采用稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃材料作为纤芯材料，提高了稀土离子的发光效率，并且采用石英玻璃作为包层材料，可以避免在微晶玻璃拉制过程中纤芯中的微纳米晶体二次长大，并且在热处理过程中，由于光纤的套管材料与纤芯材料的热性能相差比较大，在纤芯材料析晶温度下进行热处理时，套管材料中并不析出晶体，这样纤芯材料中析出微晶提高了纤芯中稀土离子的增益特性，而套管材料由于并未析晶，透过率就不会因为析晶而导致损耗增加，进而有效提高了所设计微晶玻璃光纤的光信号传输效率。

本发明针对所设计稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤的结构，进一步详细设计了稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤的制造方法，具体包括如下步骤：

步骤001.针对预设的组成成分，依次经过称料、混合、融制、搅拌、澄清、成型、退火各个操作，获得稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃，并进入步骤002；其中，融制的温度为1300℃-1500℃，融制时间为30分钟-2小时，采用石英搅拌杠进行搅拌，且搅拌的速度为5r/min-60r/min。

步骤002.采用稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃，依次经过切割、粗磨、粗抛光、精抛光，制成预设尺寸的纤芯细棒，并进入步骤003。

步骤003.采用石英玻璃制成套管，且套管的孔径与纤芯细棒的外径相适应，并进入步骤004。

步骤004.针对纤芯细棒和套管，采用酒精浸泡进行清洗，实现预处理操作，接着将套管套设在纤芯细棒的外层，并针对套管内部进行抽真空处理，再针对套管进行密封，获得光纤预制棒，然后进入步骤005。

步骤005.在所述制成套管的石英玻璃材料的软化温度下，根据预设拉丝速度、预设所获光纤尺寸针对光纤预制棒进行拉丝操作，获得光纤，然后进入步骤006。

上述步骤005中，将光纤预制棒放置于拉丝炉中，将拉丝炉的温度升温达到1200～1900℃，即在所述制成套管的石英玻璃材料的软化温度下针对光纤预制棒进行拉丝，其中，控制拉丝的速度为10～100r/min、通过控制拉丝机上面下料器的下降速度，使得光纤预制棒的加入速度为1～20mm/min进行拉丝，拉制出不同直径的光纤。

步骤006.在所述稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃的析晶温度下，针对光纤进行热处理，控制稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃所制成的纤芯进行析晶处理，最终获得光纤。

基于上述本发明所设计一种稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤及制造方法，进行具体实施例研究，

步骤001.选取铒掺杂氟硅酸盐玻璃作为纤芯材料，其组成为45SiO₂-20Al₂O₃-10CaO-25CaF₂-2ErF₃(mol％)，该铒掺杂氟硅酸盐玻璃的示差扫描量热法(DSC)曲线如图2所示，其中，玻璃转变温度T_g为640℃，析晶开始温度T_p1为760℃左右，该铒掺杂氟硅酸盐玻璃的软化温度为850℃左右，针对该铒掺杂氟硅酸盐玻璃，按组成称取原料，在1550℃下保温2h，将玻璃液倒到预热到500℃的模具上面形成稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃，然后将玻璃放到500℃的马弗炉中保温3h，再随炉冷却到室温以消除玻璃中的热应力，接着进入步骤002；

步骤002.将稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃放机床上面加工成圆柱体，半径为1.5mm，长度为8mm，再经过粗抛光、精抛光，制成预设尺寸的纤芯细棒，接着将纤芯细棒在拉丝塔上面进行拉丝，拉丝温度为880℃，拉丝速度为20mm/min，获得直径为1mm左右的纤芯细棒，然后进入步骤003。

步骤003.选取高纯石英玻璃材料制成套管，套管的外径为12.5mm，内经为1mm，并进入步骤004。

步骤004.针对纤芯细棒和套管，采用酒精浸泡进行清洗，实现预处理操作，接着将套管套设在纤芯细棒的外层，并针对套管内部进行抽真空处理，再针对套管进行密封，获得光纤预制棒，然后进入步骤005。

步骤005.将光纤预制棒放置于拉丝炉中，将拉丝炉的温度升温达到2000℃，即在所述制成套管的石英玻璃材料的软化温度下，按0.2cm/s的拉丝速度，针对光纤预制棒进行拉丝，获得光纤，然后进入步骤006。

步骤006.在所述稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃的析晶温度740℃下，针对光纤进行热处理2小时，控制稀土掺杂氟氧化物微晶玻璃所制成的纤芯进行析晶处理，最终获得纤芯为含CaF₂纳米晶体的微晶玻璃光纤。如图3所示，为微晶玻璃光纤热处理前后的X射线衍射(XRD)曲线示意图，其中，2θ为射线衍射角度；最终所获含CaF₂纳米晶体的微晶玻璃光纤中，纤芯的荧光光谱，如图4所示，纤芯荧光衰减曲线，如图5所示。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。