大芯径光纤预制棒和光纤的制备方法与流程

本发明涉及光纤预制棒和光纤的制备方法，具体涉及一种大芯径光纤预制棒和相应的低损耗光纤的制备方法。
背景技术：
：光纤激光器被称为第三代激光器，其相比传统的激光器具有诸多优点，如电光转换效率高、光束质量好、使用寿命长、环境适应能力强、占地面积小等，属于节能环保型新型光电子器件，在工业制造、医疗、能源勘探、军事国防等领域获得了广泛应用，其市场销售额增长率连续数年达两位数以上。激光光纤材料作为高功率光纤激光器的核心器件，是决定光纤激光器功率的关键因素，而光纤激光器功率的每一步提高都和光纤材料和器件性能的提升息息相关。其中，掺yb石英光纤是高功率光纤激光器的战略制高点。而作为其核心器件，掺yb石英光纤的整体性能主要取决于光纤预制棒的性能。所以要获得高性能光纤首要条件是制备出性能优良的光纤预制棒。目前掺yb石英光纤预制棒常用的制备方法是改进型气相沉积(mcvd)结合溶液掺杂法，该方法是将石英管固定在沉积床上后，先在石英沉积管内壁沉积疏松层，再将带有疏松层的沉积管从沉积车床上取下，并将带有疏松层的沉积管浸泡在含有稀土离子的溶液中，浸泡使稀土离子吸附到疏松层中，之后将溶液排出，再次将沉积管连接到沉积车床上，并采用脱水工艺将溶剂蒸发，将吸附了稀土离子的疏松层烧结成玻璃，并缩管使其成为一个实心预制棒。该方法的制备过程复杂且耗时，所制备的预制棒芯径较小，通常为1.5-2mm，这将显著影响每个预制棒的光纤产率。另外，疏松层颗粒分布一致性不易控制，直接影响光纤预制棒中纤芯折射率的分布。同时，由于溶液中含有大量羟基易增加光纤背景损耗，因此不利于光纤的高功率输出。技术实现要素：针对现有方法制备的光纤预制棒存在芯径较小、光纤预制棒中纤芯折射率分布不均、光纤背景损耗较大的技术问题，本发明提供了一种大芯径光纤预制棒的制备方法和使用该方法制备的大芯径光纤预制棒制备光纤的制备方法，所制备的预制棒芯径＞3mm，很大程度上提高了单根预制棒的光纤产率，且制备的光纤预制棒芯的轴向折射率和径向折射率较均匀，数值孔径为0.06±0.005。本发明的技术解决方案是：一种大芯径光纤预制棒的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：1)将大芯径光纤预制棒芯组分sio2、al2o3、p2o5、yb2o3和f的含量换算成沉积时气态反应物料的流量，在mcvd设备的控制系统中设定气态反应物料的流量及沉积层数；其中，所用的气态反应物料包括sicl4、al(acac)3、yb(thd)3、pocl3、sif4和o2；2)将清洗干净的石英管连接至mcvd沉积床上，采用氢氧焰预热石英管；预热的同时，石英管处于旋转状态；预热完成后，通入sf6气体侵蚀石英管内壁；3)侵蚀完成后，将气态反应物料通入转动的石英管内进行芯棒沉积；石英管的加热温度为1850℃-1950℃；4)达到设定的沉积层数时，开始缩管，缩管过程中通入氯气；待石英管由空心管缩成实心棒，预制棒制作完成。更进一步地，为了使所制备的大芯径光纤预制棒的折射率分布较均匀，步骤1)中，预制棒芯组分sio2、al2o3、p2o5、yb2o3和f的组分含量为al2o3：1～2.5mol％，p2o5：1～2mol％，sio2：95～97.5mol％，yb2o3：0.1-0.25mol％，f：0～0.8mol％。更进一步地，为了使光纤预制棒的芯径更大，步骤1)中设定的沉积层数为10层。更进一步地，为了使所制备的大芯径光纤预制棒的折射率分布更均匀，步骤1)中在设定的各沉积层中气态反应物料的流量为：反应时，通入o2的量充足，以使反应物料sicl4、al(acac)3、yb(thd)3、pocl3、sif4与o2发生反应生成对应的氧化物。更进一步地，为了使所制备的大芯径光纤预制棒的折射率分布更均匀，步骤1)中在设定的各沉积层中气态反应物料的流量为：或者或者或者反应时，通入o2的量充足，以使反应物料sicl4、al(acac)3、yb(thd)3、pocl3、sif4与o2发生反应生成对应的氧化物。更进一步地，步骤3)中，反应物料al(acac)3和yb(thd)3分别作为独立系统，加热后以气态形式进入石英管；al(acac)3的加热温度为240-260℃，yb(thd)3的加热温度为200-240℃。更进一步地，步骤3)中通过载气o2以鼓泡的形式输送pocl3、sicl4至石英管内；通过载气he输送气相的al(acac)3、yb(thd)3进入石英管内；气体sif4和o2直接通入石英管。更进一步地，步骤4)中的缩管在2000～2100℃进行。同时，本发明还提供一种光纤的制备方法，包括以下步骤：1)采用上述方法制备大芯径光纤预制棒；2)对步骤1)所制备的大芯径光纤预制棒进行套管；套完管后加工成八边形；3)在2050±20℃的温度下进行拉丝，拉制为光纤。与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明采用改进型化学气相沉积(mcvd)结合稀土离子气相掺杂法，基质材料al2o3、p2o5、sio2分别由气态的al(acac)3、pocl3、sicl4在高温下和o2反应生成，稀土掺杂物yb2o3由气态yb(thd)3和o2反应生成，所有反应生成物在1850℃-1950℃的高温下以玻璃态的形式沉积在石英管的内壁，经多次沉积，烧缩成实心玻璃棒，即大芯径光纤预制棒，沉积的物料为预制棒的芯棒。(2)由于掺杂离子迁移、p2o5挥发可能造成预制棒的折射率分布不均匀，本发明调整沉积层中yb(thd)3、al(acac)3、pocl3或sif4组分的流量，以确保制备的大芯径预制棒的折射率分布均匀。(3)本发明的制备过程简单，可在密闭系统中一次完成整个沉积过程，，进而提高了预制棒的生产效率。(4)al2o3的反应物料采用al(acac)3，不易腐蚀气路。(5)采用气相掺杂技术有利于掺杂离子在玻璃中的均匀分散，降低“团簇”效应，从而可降低光纤的损耗。附图说明图1为本发明实施例一大芯径光纤预制棒的折射率分布图；图2为本发明实施例二大芯径光纤预制棒的折射率分布图；图3为本发明实施例五大芯径光纤预制棒的折射率分布图；图4为本发明实施例五的光纤预制棒套管后的折射率分布图；图5为本发明实施例五光纤的吸收光谱图；图6为本发明实施例五光纤的损耗谱图；图7为本发明实施例五光纤的端面图；图8为本发明实施例五光纤的激光光-光转换效率图。具体实施方案：本发明提供了一种al2o3-p2o5-sio2三元体系激光大芯径光纤预制棒的制备方法，包括以下步骤：1)根据大芯径光纤预制棒芯组分sio2、al2o3、p2o5、yb2o3和f的含量，计算气态反应物料sicl4、al(acac)3、yb(thd)3、pocl3、sif4等组分的流量，在mcvd设备的控制系统中设定流量值；2)将外径为28mm、内径为24mm的薄壁石英管作为反应基管，清洗干净后连接至mcvd沉积床上，采用氢氧焰预热石英管；预热的同时，石英管处于旋转状态；预热完成后，通入sf6气体侵蚀石英管内壁，以消除石英管内壁的杂质和污染物；3)侵蚀完成后，按照设定的流量值将气态反应物料通入以30转/分钟转速转动的石英管内，在1850℃-1950℃下开始沉积；4)达到设定的沉积层数10层时，在2000～2100℃进行缩管，缩管过程中通入氯气；石英管由空心管缩成实心棒后，预制棒制作完成，沉积的物料为预制棒的芯棒，沉积管为预制棒的包层。按照芯包比，选定合适的套管工艺对光纤预制棒进行套管，将套完管的预制棒冷加工成八边形结构，在2050±20℃的温度下进行拉丝，并采用两层涂覆，获得双包层激光光纤，光纤规格为20/400μm。本发明中大芯径光纤预制棒的配方组分要求为：al2o3：1～2.5mol％，p2o5：1～2mol％，sio2：95～97.5mol％，yb2o3：0.1-0.25mol％，f：0～0.8mol％；预制棒制备设备含有三个独立系统，一个是沉积主体含量，如组分中的sicl4和sif4；反应物料al(acac)3作为独立系统，从温度为240-260℃的管路升华后以气态进入石英沉积管；yb(thd)3作为独立系统，从温度为200-240℃的管路升华后以气态进入石英沉积管；所有气态反应物料在高温下与o2反应，生成物以玻璃态的形式沉积在石英管的内壁(省去了沉积疏松层再烧结的过程)，可制备出大芯径的光纤预制棒；添加pocl3可抑制高功率激光输出应用情况下的光致暗化效应，还可有效降低芯棒的折射率；制备过程简单，可在密闭系统中一次完成整个沉积过程(不同于溶液掺杂法需要在低温下先沉积疏松体，再将沉积的疏松体取下，在溶液中浸泡，再高温下脱水)，有效提高了yb掺杂光纤单根预制棒的产率。下面通过实施例对本发明作进一步说明。实施例一：根据大芯径光纤预制棒纤芯的配方组分要求，计算气态反应物料al(acac)3、pocl3、sicl4、yb(thd)3和sif4的流量，并在mcvd自动控制软件中设定气态反应物料的流量，见表1；将石英管连接至mcvd沉积车床上，采用氢氧焰预热石英管，预热完成后通入sf6气体侵蚀石英管内壁，侵蚀结束后，将气体物料按照设定流量值通入石英管内开始沉积芯层；沉积过程中，石英管的加热温度为1850℃，管子的转动速度为30转/分钟，氢氧焰的移动速度为100mm/分钟；沉积结束后，通入cl2烧缩石英管，cl2的流量为5ml/min，待空心管经多次缩管烧成实心棒后，在1600℃用火焰抛光光纤预制棒。将所制备的大芯径光纤预制棒在高温下熔断，测试其折射率及棒芯直径，结果如图1及表7中1#所示。表1实施例一各沉积层中各组分的流量(sccm)沉积层数sicl4al(acac)3yb(thd)3pocl3sif412004530090202200453009020320045300902042004530090205200453009020620045300902072004530090208200453009020920045300902010200453009020由图1可以看出，所制备的大芯径光纤预制棒的折射率在径向呈现出w型，波导结构不利于激光输出，因此该预制棒未进行光纤拉制。实施例二：根据实施例一中光纤预制棒的组分流量及预制棒的折射率分布图，调整组分al(acac)3、pocl3、yb(thd)3或者sif4的流量，并在mcvd自动控制软件中进行设定，设定值参见表2；设定完成后将石英管连接至mcvd沉积车床上，采用氢氧焰预热石英管，预热完成后通入sf6气体对石英管内壁进行侵蚀；侵蚀结束后，将气体物料按照设定流量值通入石英管内开始沉积芯层；沉积过程中，石英管的加热温度为1850℃，管子的转动速度为30转/分钟，氢氧焰沉积过程中的移动速度为100mm/分钟；沉积结束后，通入cl2烧缩石英管，cl2的流量为5ml/min，待空心管经多次缩管烧成实心棒后，在1600℃用火焰抛光光纤预制棒。将制备的大芯径光纤预制棒在高温下熔断，测试其折射率，折射率分布如图2所示，并计算相应的数值孔径，结果见表7中2#样品。根据所制备大芯径光纤预制棒的几何参数选定合适的套管工艺对预制棒进行套管，使其芯包比满足光纤的要求，将套完管的预制棒冷加工成八边形，在2050±20℃的温度下进行拉丝，并采用两层涂覆，获得双包层激光光纤。光纤的性能参数见表7中2#样品。表2实施例二各沉积层中各组分的气体流量(sccm)沉积层数sicl4al(acac)3yb(thd)3pocl3sif41200453009016220045300901432004530090104200453009085200453009066200453009037200453009010820045300901592006035011020102008040013026实施例三：根据大芯径光纤预制棒纤芯的配方组分要求，结合实施例一中光纤预制棒的组分流量及折射率分布结果，本实施例在mcvd自动控制软件中设定的各沉积层中各组分的流量值参见表3；设定完成后将石英管连接至mcvd沉积车床上，采用氢氧焰预热石英管进行，预热完成后通入sf6气体对石英管内壁进行侵蚀；侵蚀结束后，将气体物料按照设定流量值通入石英管内开始沉积芯层；沉积过程中，石英管的加热温度为1900℃，管子的转动速度为30转/分钟，氢氧焰的移动速度为100mm/分钟；沉积结束后，通入cl2烧缩石英管，氯气的流量为5ml/min，待空心管经多次缩管烧成实心棒后，在1600℃用火焰抛光光纤预制棒。将所制备的大芯径光纤预制棒在高温下熔断，测试其折射率并计算相应的数值孔径，结果见表7中3#样品所示。根据所制备大芯径光纤预制棒的几何参数选定合适的套管工艺对预制棒进行套管，使其芯包比满足光纤的要求，将套完管的预制棒冷加工成八边形，在2050±20℃的温度下进行拉丝，并采用两层涂覆，获得双包层激光光纤。光纤的性能参数见表7中3#样品。表3实施例三各沉积层中各组分的气体流量(sccm)沉积层数sicl4al(acac)3yb(thd)3pocl3sif41200453009016220045300901432004530090104200453009085200453009066200453009037200453009010820045300901592004535011020102004540013026实施例四：根据大芯径光纤预制棒纤芯的配方组分要求，结合实施例一光纤预制棒的组分流量及折射率分布结果，本实施例在mcvd自动控制软件中设定的各沉积层中各组分的流量值参见表4；设定完成后将石英管连接至mcvd沉积车床上，通过氢氧焰对石英管进行预热，预热完成后通入sf6气体对石英管内壁进行侵蚀，消除石英管内壁的杂质和污染物；侵蚀结束后，将气体物料按照设定流量值通入石英管内开始沉积芯层；沉积过程中，石英管的加热温度为1900℃，管子的转动速度为30转/分钟，氢氧焰的移动速度为100mm/分钟；沉积结束后，通入cl2烧缩石英管，氯气的流量为5ml/min，待空心管经多次缩管烧成实心棒后，在1600℃用火焰抛光光纤预制棒。将所制备的大芯径光纤预制棒在高温下熔断，测试其折射率并计算相应的数值孔径，结果见表7中4#样品所示。根据所制备大芯径光纤预制棒的几何参数选定合适的套管工艺对预制棒进行套管，使其芯包比满足光纤的要求，将套完管的预制棒冷加工成八边形，在2050±20℃的温度下进行拉丝，并采用两层涂覆，获得双包层激光光纤，所拉制的光纤规格为20/400μm。光纤的性能参数见表7中4#样品。表4实施例四各沉积层中各组分的气体流量(sccm)沉积层数sicl4al(acac)3yb(thd)3pocl3sif41200603009082200603009043200603009034200603009015200603009056200603009067200603009088200603009012920080350110151020010040013018实施例五：根据大芯径光纤预制棒纤芯的配方组分要求，结合实施例一大芯径光纤预制棒的组分流量及折射率分布结果，本实施例在mcvd自动控制软件中设定的各沉积层中各组分的流量值参见表5；设定完成后将石英管连接至mcvd沉积车床上，通过氢氧焰对石英管进行预热，预热完成后通入sf6气体对石英管内壁进行侵蚀，消除石英管内壁的杂质和污染物；侵蚀结束后，将气体物料按照设定流量值通入石英管内开始沉积芯层；沉积过程中，石英管的加热温度为1940℃，管子的转动速度为30转/分钟，氢氧焰沉积过程中的移动速度为100mm/分钟；沉积结束后，通入cl2烧缩石英管，cl2的流量为5ml/min，待空心管经多次缩管烧成实心棒后，在1600℃用火焰抛光光纤预制棒。将所制备的大芯径光纤预制棒在高温下熔断，测试其折射率，参见图3，计算相应的数值孔径，结果见表7中5#样品所示。从图3可以看出，本实施例制备的大芯径光纤预制棒的折射率趋于平坦。根据预制棒的几何参数选定合适的套管工艺对预制棒进行套管，使其芯包比满足光纤的要求，套管后预制棒的折射率分布如图4所示；将套完管的预制棒加工成八边形结构，在2050±20℃的温度下进行拉丝，并采用两层涂覆，获得双包层激光光纤。光纤的性能参数见表7中5#样品；吸收光谱如图5所示，光纤的损耗谱如图6所示，光纤端面图如图7所示，光纤的芯包尺寸为19.9μm/399.8μm。表5实施例五各沉积层中各组分的气体流量(sccm)沉积层数sicl4al(acac)3yb(thd)3pocl3sif41200603009082200603009043200603009034200603009015200603009056200603009067200603009088200603009012920080350110151020010040013018实施例六：根据大芯径光纤预制棒纤芯的配方组分要求，结合实施例一中光纤预制棒的组分流量及折射率分布结果，本实施例在mcvd自动控制软件中设定的各沉积层中各组分的流量值参见表6；设定完成后将石英管连接至mcvd沉积车床上，通过氢氧焰对石英管进行预热，预热完成后，将气体物料按照设定流量值通入石英管内开始沉积芯层；侵蚀结束后按照表3所列的各沉积层中各组分的气流量值，将气体物料通入石英管内开始沉积芯层；沉积过程中，石英管的加热温度为1940℃，管子的转动速度为30转/分钟，氢氧焰沉积过程中的移动速度为100mm/分钟；沉积结束后，通入cl2开始烧缩石英管，cl2的流量设定为5ml/min，待空心管经多次缩管烧成实心棒后，在1600℃用火焰抛光光纤预制棒。将所制备的大芯径光纤预制棒在高温下熔断，测试其折射率，计算相应的数值孔径，结果见表7中6#样品所示。根据预制棒的几何参数选定合适的套管工艺对预制棒进行套管，使其芯包比满足光纤的要求，将套完管的预制棒加工成八边形结构，在2050±20℃的温度下进行拉丝，并采用两层涂覆，获得双包层激光光纤。测试所制备光纤的吸收系数、纤芯损耗，结果见表7中6#样品。表6实施例六各沉积层中各组分的气体流量(sccm)沉积层数sicl4al(acac)3yb(thd)3pocl3sif4120075300901522007530090123200753009011420075300908520075300907620075300906720075300904820075300908920090350110121020011040013015表7具体实施例中相应光纤测试参数实施例三、四和六所制备的光纤预制棒的折射率分布相似，均如图3所示；所拉制的光纤规格均为20/400μm，光纤折射率分布也相似，均如图4所示。通过对比，选取背景损耗最小的5#光纤进行高功率激光测试实验，以5#光纤作为激光放大级，进入光纤的种子光功率为20w，经测试，光纤的激光转化效率为82.7％，达到了商用光纤激光器的使用要求，激光斜率曲线见图8。当前第1页12