一种高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤及其制备方法和应用

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤及其制备方法和应用。

背景技术：

在光通信领域，当前商用的石英玻璃光纤传输带宽可以从1260nm到1675nm，共有415nm宽度。石英玻璃光纤仅适用于波长小于2.4μm的光传输。目前石英玻璃光纤还不能用于中、远红外波段激光传输的光纤，为了拓宽光纤传输带宽，就必须研究石英玻璃之外的有利于中、远红外光传输的其他光纤材料。

目前常用于红外波段的光纤材料有氟化物玻璃光纤、硫系玻璃光纤。氟化物玻璃光纤虽然理论上具有极低的损耗和很高的损伤阈值，但是其玻璃料性短、易析晶、机械强度较低、易吸湿性导致氟化物玻璃光纤制备困难且不易使用；且氟化物玻璃光纤红外截止波长仅在7～9μm。硫系玻璃光纤虽然具有超高的非线性(玻璃光纤中最高)，但是硫系玻璃光纤存在料性短、易析晶、机械强度低、光纤损耗相对较高的问题，导致低损耗硫系玻璃光纤制备困难。这些都限制了氟化物玻璃光纤和硫系玻璃光纤的发展。

此外，以玻璃作为增益介质的光纤激光器存在明显的技术短板：1)过低的热导率在光纤内部形成较大的温度梯度，引发热透镜效应，极大地影响光束质量；2)受激拉曼散射(srs)和受激布里渊散射(sbs)等非线性效应在一定程度上限制了输出功率的进一步提高。

公开号为cn109669232a的中国发明专利申请公开了一种“单晶半导体芯光纤及其制备方法”，其单晶半导体芯光纤的制备方法主要包括以玻璃毛细管做包层对未熔单晶纤芯实现全包裹，从而形成单晶纤芯光纤结构。存在如下缺点：1、制备的光纤较短，无法制备超长光纤；2、光纤制备过程中，纤芯材料未完全熔化，导致纤芯材料和包层材料结合不紧密；3、光纤制备步骤中，湿法腐蚀单晶半导体棒的过程需要纤芯材料与水接触，所以一些易溶于水的纤芯材料就无法通过此法制备成单晶光纤。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对克服现有技术存在的不足，提供一种高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤。

本发明的目的还在于提供一种高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤的制备方法，采用纤芯熔融法制备碘化铯晶体纤芯与玻璃包层复合材料光纤前驱体，再利用热处理工艺将制备的前驱体光纤制备成体积小、散热性好、易集成的高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤。

本发明的目的还在于提供一种高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤在红外光的传输中的应用。

本发明的目的还在于提供一种高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤在制备红外光纤激光器中的应用。

本发明的一种高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤的制备方法，包括如下步骤：

(1)高硼硅玻璃包层的预处理：将高硼硅玻璃加工成棒状，并将棒状玻璃的一端加工一空腔；

(2)光纤预制棒的组装：将碘化铯填入步骤(1)所述空腔，封闭空腔的开口端；

(3)光纤拉丝：将步骤(2)所述光纤预制棒拉丝，得到高硼硅玻璃包层碘化铯晶体纤芯前驱体光纤；

(4)热处理：将步骤(3)所述高硼硅玻璃包层碘化铯晶体纤芯前驱体光纤升温进行热处理，退火处理，得到所述高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤。

作为优选方案，步骤(1)中所述棒状玻璃呈圆柱形,所述空腔呈沿圆柱形玻璃中心轴线加工形成的圆柱形坑。

作为优选方案，步骤(1)中，所述圆柱形玻璃的直径为12-30mm，长度为80-150mm；所述圆柱形坑的直径为3-5mm，长度为60-130mm。

作为优选方案，步骤(1)所述加工的方式为机械加工；特别优选采用机械抛光或化学抛光，可以提高制备得到的光纤材料的光学性能。

作为优选方案，步骤(2)中，将碘化铯填入步骤(1)所述圆柱形坑中并压实，使圆柱形坑中的碘化铯粉末与空气隔绝；所述碘化铯为碘化铯粉末或碘化铯晶棒。压实可以使制备的高硼硅玻璃包层碘化铯晶体纤芯前驱体光纤更加连续和致密，有利于后续的热处理。碘化铯粉末完全与空气隔绝，可以防止高温拉丝过程中纤芯碘化铯与空气中的水和氧气发生反应。

作为优选方案，步骤(2)中，用耐火泥材料或粘土封闭圆柱形坑的开口端。

作为优选方案，步骤(3)所述拉丝的温度为900-1000℃。

作为优选方案，步骤(4)所述热处理的温度为630-650℃，热处理的时间为2-3h；所述退火处理是以0.05-0.1℃/h的降温速率降温至常温。

本发明所述的方法的高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤，其包层为高硼硅玻璃，纤芯为碘化铯单晶。可以应用于红外光的传输和用于制备红外光纤激光器。

单晶光纤是一种纤芯材料为晶体的特种光纤，可同时具备传统玻璃光纤的波导特性强、散热面积大、易集成的优势，以及块状晶体的耐高温、高热导率、高损伤阈值、高非线性效应阈值等优点。本发明优选的高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤透光范围涵盖了近紫外到远红外区域，是一种性能优异的用于红外光传输和红外光纤激光器制作的光纤材料。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1)本发明采用纤芯熔融法制备前驱体光纤，对前驱体光纤长度没有限制，配合后期热处理技术，可以制备较长的单晶光纤，可以克服现有技术制备的光纤较短，无法制备超长光纤的缺点。

2)本发明在高温拉丝过程中预制棒纤芯材料融化，包层玻璃软化，可以让芯包界面结合的更加紧密，可以克服现有技术光纤制备过程中，纤芯材料未熔化，导致纤芯材料和包层材料结合不紧密的缺点。

3)本发明在光纤制备过程中，不必与水接触，可以克服现有技术采用的湿法腐蚀单晶半导体棒的过程需要纤芯材料与水接触，所以一些易溶于水的纤芯材料就无法通过此法制备成单晶光纤的缺点。

4)本发明将高硼硅玻璃和碘化铯结合，构成复合材料光纤；选择高硼硅玻璃作为包层，碘化铯作为纤芯，高硼硅玻璃包层材料粘度与碘化铯纤芯熔点相匹配，纤芯半导体处于液态；此外，拉丝温度低，低的拉丝温度可以降低玻璃中的氧离子向碘化铯纤芯扩散，以降低光损耗；并且，由于高硼硅包层玻璃的存在，纤芯材料被密封在包层内，避免了与空气接触而发生氧化。

(5)本发明的高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤为复合材料，其纤芯材料是碘化铯单晶，该纤芯透光范围涵盖了近紫外到远红外区域；包层材料为高硼硅玻璃，可为光纤提供较好的机械强度，并保护光纤碘化铯单晶纤芯不被空气氧化和潮解。

(6)本发明提供了一种单晶纤芯光纤的制备思路，即采用纤芯熔融法工艺制备出碘化铯晶体纤芯/玻璃包层复合材料光纤前驱体，再利用热处理工艺将制备的前驱体光纤制备成体积小、散热性好、易集成的复合材料光纤。

附图说明

图1是实施例1得到的光纤预制棒示意图；

图2a、图2b分别是实施例1中前驱体光纤热处理前后光学显微镜图；

图3是实施例1得到的经热处理后的光纤中碘化铯纤芯的扫描电镜图；

图4是实施例1的碘化铯粉末、碘化铯单晶和前驱体光纤中碘化铯纤芯以及热处理后光纤中碘化铯纤芯的x射线衍射图谱；

图5是实施例1的碘化铯粉末、碘化铯单晶和前驱体光纤中碘化铯纤芯以及热处理后光纤中碘化铯纤芯的拉曼光谱图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。

实施例1

高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤的制备及方法如下：

(1)高硼硅包层玻璃的机械加工：将大块的高硼硅包层玻璃加工成直径7mm，长150mm的圆柱，且包层玻璃中心沿轴线加工成直径3mm，长130mm的圆柱形坑，圆柱形坑没有贯穿整个玻璃圆柱；圆柱玻璃表面及圆柱形坑内表面都经过机械和化学抛光；

(2)光纤预制棒的组装：在手套箱中将碘化铯晶棒填充到高硼硅玻璃圆柱体的圆柱形坑中，以隔绝水和氧气，用耐火泥材料将高硼硅玻璃棒圆柱形坑的开口端封闭，使坑中的碘化铯晶棒完全与空气隔绝；形成光纤预制棒；

(3)光纤拉丝：将组装好的光纤预制棒放在拉丝塔上拉丝，拉丝温度960℃，可获得连续的高硼硅玻璃包层碘化铯晶体纤芯前驱体光纤，光纤直径可根据需要通过控制拉丝进行调节；

(4)高硼硅玻璃包层碘化铯晶体纤芯前驱体光纤的热处理：将制备的前驱体光纤放入马弗炉中进行热处理，在630℃保温3h，再以0.1℃/h退火至室温，最后获得高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤。前驱体光纤热处理前的纤芯是明显多晶颗粒，不致密，热处理后纤芯连续、致密。

如图1所示，高硼硅玻璃包层圆柱形坑中的碘化铯粉末填充密实，高硼硅玻璃棒圆柱形坑的开口端用耐火泥材料封闭，使中心孔中的碘化铯粉末与空气隔离。图2a、图2b是实施例1中前驱体光纤热处理前后光学显微镜图，其中a部分是前驱体光纤热处理前的显微镜图，b部分是前驱体光纤热处理后的显微镜图；如图2a、图2b和图3所示，碘化铯纤芯经过热处理后变得连续、致密，满足了光传输的基本要求。如图4所示，碘化铯单晶及热处理后光纤中碘化铯纤芯的x射线衍射图谱都只有一个衍射峰，说明热处理后的碘化铯纤芯是单晶或取向性较好的多晶。如图5所示，碘化铯单晶及热处理后光纤中碘化铯纤芯的拉曼光谱相对应，同样也能说明热处理后的碘化铯纤芯是单晶或取向性较好的多晶。

实施例2

高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤的制备及方法如下：

(1)高硼硅包层玻璃的机械加工：将大块的高硼硅包层玻璃加工成直径30mm，长80mm的圆柱，且包层玻璃中心沿轴线加工成直径3mm，长60mm的圆柱形坑，圆柱形坑没有贯穿整个玻璃圆柱；圆柱玻璃表面及圆柱形坑内表面都经过机械和化学抛光；

(2)光纤预制棒的组装：在手套箱中将碘化铯粉末(纯度99.999％)紧密填充到高硼硅玻璃圆柱体的圆柱形坑中并压实，以隔绝水和氧气，用耐火泥材料将高硼硅玻璃棒圆柱形坑的开口端封闭，使圆柱形坑中的碘化铯粉末完全与空气隔绝；如此形成光纤预制棒；

(3)光纤拉丝：将组装好的光纤预制棒放在拉丝塔上拉丝，拉丝温度940℃，可获得连续的高硼硅玻璃包层碘化铯晶体纤芯前驱体光纤，光纤直径可根据需要通过控制拉丝参数进行调节；

(4)高硼硅玻璃包层碘化铯晶体纤芯前驱体光纤的热处理：将制备的前驱体光纤放入马弗炉中进行热处理，在630℃保温2h，再以0.05℃/h退火至室温，最后获得高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤。热处理效果可参考实施例1。

实施例3

高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤的制备方法如下：

(1)高硼硅包层玻璃的机械加工：将大块的高硼硅包层玻璃加工成直径12mm，长150mm的圆柱，且包层玻璃中心沿轴线加工成直径5mm，长130mm的圆柱形坑，圆柱形坑没有贯穿整个玻璃圆柱；圆柱玻璃表面及圆柱形坑内表面都经过机械和化学抛光；

(2)光纤预制棒的组装：在手套箱中将碘化铯粉末(纯度99.999％)紧密填入高硼硅玻璃圆柱体的圆柱形坑中并压实，以隔绝水和氧气，用耐火泥材料将高硼硅玻璃棒圆柱形坑的开口端封闭，使圆柱形坑中的碘化铯粉末完全与空气隔绝，如此形成光纤预制棒；

(3)光纤拉丝：将组装好的光纤预制棒放在拉丝塔上拉丝，拉丝温度990℃，可获得连续的高硼硅玻璃包层碘化铯晶体纤芯前驱体光纤，光纤直径可根据需要通过控制拉丝参数进行调节；

(4)高硼硅玻璃包层碘化铯晶体纤芯前驱体光纤的热处理：将制备的前驱体光纤放入马弗炉中进行热处理，在650℃保温2h，再以0.1℃/h降温速率退火至室温，最后获得高硼硅玻璃包层碘化铯单晶纤芯光纤。热处理效果可参考实施例1。

以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。