激光光纤预制棒气相掺杂用稀土材料蒸发装置的制作方法

本实用新型涉及一种气相掺杂用稀土材料蒸发装置，适合于激光光纤预制棒的稀土离子稀土掺杂工艺中使用。

背景技术：

随着光纤激光器在各行业的广泛应用，各国对激光产品的质量提出了更多的要求。激光增益介质是提高激光光束质量的关键。其中，掺杂稀土离子的激光光纤由于具有光束质量好、体积小、速度快、工作寿命长等优点，已经广泛运用于高能激光武器、激光焊接、生物医疗等众多领域。

掺稀土光纤的稀土离子掺杂工艺一般分为两大类：稀土离子液相掺杂法、稀土离子气相掺杂法。液相掺杂法通过沉积制作光纤疏松层，利用掺杂溶液浸泡的方法制作出掺稀土光纤。液相掺杂法容易出现掺杂不均、隔离层脱落等现象，并且浸泡过程需要脱离车床操作，工艺流程比较复杂。气相掺杂法又分为两类：氯化物气相掺杂法和稀土螯合物气相掺杂法。其中，氯化物气相掺杂法是利用YbCl3和ErCl3等氯化物在较高的温度条件下会发形成一定的饱和蒸汽，然后通过氧气带入反应管中进行氧化反应，生成Yb2O3和Er2O3等氧化物掺入芯层玻璃管中。螯合物气相掺杂法是利用某种悬挂有稀土离子的有机化合物，在高温环境下，挥发并携带稀土离子进入反应管中进行氧化反应生成含稀土元素的氧化物掺入芯层玻璃管中，其它小分子成分充分反应后排出沉积管。氯化物气相掺杂法要求的温度较高，并且尾气中携带氯化物，尾气处理装置要求较高。螯合物气相掺杂法制备特种光纤预制棒更为理想，拥有沉积效率高且分布均匀、操作流程简洁方便、尾气为污染较小等优点，成为现在掺杂工艺的优秀选择。

利用材料的气相掺杂法制备特种光纤预制棒的设备中，稀土材料的均匀蒸发是制备良好掺杂预制棒的关键。目前，在制备预制棒的过程中，使用的蒸发罐不够合理，不能均匀的蒸发稀土材料，使得剩余在蒸发罐中未反应的原料和蒸发后的残留物混合在一起，造成稀土元素的浪费。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种激光光纤预制棒气相掺杂用稀土材料蒸发装置，能够均匀蒸发稀土材料，减少稀土元素的浪费，使用后能够提高光纤离子掺杂均匀性，起到降低光纤损耗的作用。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种激光光纤预制棒气相掺杂用稀土材料蒸发装置，包括顶部敞口的原料盒，以及叠设在所述原料盒上、封闭其敞口的顶盖，以及中空轴杆；所述原料盒具有依次层叠设置的至少两个，位于上一层的所述原料盒封闭其下一层原料盒的敞口，所述顶盖设置在最顶层的所述原料盒上、封闭最顶层原料盒的敞口；所述顶盖和各所述原料盒均套设在中空轴杆上，所述中空轴杆内设有加热器；各所述原料盒内均设有轴向贯通的气孔，相邻两层所述原料盒上的所述气孔交错设置、使得加热蒸发产生的气相原料沿曲线依次穿经各所述原料盒。

本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述原料盒内设有用于放置螯合物原料的原料槽，所述原料盒内环绕所述原料槽一周设有多个外圈气孔，相邻两层所述原料盒上的所述外圈气孔依次交错设置。

本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述原料盒上设有供中空轴杆穿入的中心通孔，所述原料盒内环绕中心通孔一周设有多个内圈气孔，相邻两层所述原料盒上的所述内圈气孔依次交错设置。

本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括相邻两层所述原料盒上的所述外圈气孔交错的角度为10°～45°。

本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括相邻两层所述原料盒上的所述内圈气孔交错的角度为10°～45°。

本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述顶盖上设有导流槽，所述导流槽与最顶层原料盒的所述内圈气孔连通。

本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述顶盖上对应最顶层原料盒的每个内圈气孔均设有导流槽，每个所述导流槽均与各自的内圈气孔连通，各所述导流槽以顶盖的中心为中心向外侧辐射式排布。

本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述导流槽的槽口敞口设置，所述顶盖上同轴叠设有端盖，所述端盖同轴套设在中空轴杆上。

本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括其还包括同轴套设在中空轴杆上、且顶部敞口的底盒，最底层的所述原料盒叠设在底盒上、封闭底盒的敞口，所述底盒上设有轴向贯通的进气孔。

本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述中空轴杆的一端固定在底盒上，所述中空轴杆的另一端设有螺纹段，所述端盖上设有轴线贯通的螺纹孔，所述底盒、各原料盒、顶盖和端盖依次同轴套设在中空轴杆上后通过螺纹孔和螺纹段的配合固定为一个整体。

本实用新型的激光光纤预制棒气相掺杂用稀土材料蒸发装置，能够均匀蒸发稀土材料，减少稀土元素的浪费，使用后能够提高光纤离子掺杂均匀性，起到降低光纤损耗的作用。

附图说明

图1是本实用新型优选实施例中蒸发装置的立体结构示意图；

图2是图1中蒸发装置的主视结构示意图；

图3是图2中A-A方向的剖视示意图；

图4是本实用新型优选实施例中原料盒的结构示意图；

图5是本实用新型优选实施例中顶盖的结构示意图；

图6是本实用新型优选实施例中中空轴杆和底盒的结构示意图。

其中：2-原料盒，4-顶盖，6-中空轴杆，8-原料槽，10-外圈气孔，12-中心通孔，14-内圈气孔，16-导流槽，18-端盖，20-底盒，22-进气孔，24-螺纹段。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

实施例

稀土材料气相掺杂法是利用某种悬挂有稀土离子的有机化合物，在高温环境下，挥发并携带稀土离子进入反应管中进行氧化反应生成含稀土元素的氧化物掺入芯层玻璃管中，其它小分子成分充分反应后排出沉积管。基于此，本本实施例公开了一种激光光纤预制棒气相掺杂用稀土材料蒸发装置，与沉积管对接，用于盛放和加热螯合物原料，原料加热后蒸发为气相均匀流入沉积管。

如图1-6所示的稀土材料蒸发装置，包括顶部敞口的原料盒2，以及叠设在上述原料盒2上、封闭其敞口的顶盖4，以及中空轴杆6；上述原料盒2具有依次层叠设置的至少两个，位于上一层的上述原料盒2封闭其下一层原料盒2的敞口，上述顶盖4设置在最顶层的上述原料盒2上、封闭最顶层原料盒2的敞口；上述顶盖4和各上述原料盒2均套设在中空轴杆6上，上述中空轴杆6内设有加热器。上述原料盒2用于盛放原螯合物原料，优选使用瓷质、玻璃、石英、铂质制品；上述加热器加热原料盒2中的原料，使之蒸发为气相。设计多个原料盒2依次叠设，能够灵活改变每层原料盒中放置的原料重量。比如，相同重量的原料，变化叠设的原料盒的个数，可以改变每层原料原料盒中放置原料的重量，相较于传统的在一个蒸发皿中放入总重量的原料，能够提高原料蒸发的均匀性，和减少原料的浪费。本实施例技术方案中，上述原料盒2可以设计为依次层叠放置的2～15个，当然，根据实际使用的需要可以变化原料盒2的叠放个数。

各上述原料盒2内均设有轴向贯通的气孔，本实施例技术方案中，上述气孔具有外圈气孔10和内圈气孔14，外圈气孔10和内圈气孔14的排布方式为：上述原料盒2内设有用于放置螯合物原料的原料槽8，上述原料盒2内环绕上述原料槽8一周设有多个外圈气孔10；设计向内凹陷的原料槽8盛放原料，能够防止粉末状稀土原料洒落。上述原料盒2上设有供中空轴杆6穿入的中心通孔12，上述原料盒2内环绕中心通孔12一周设有多个内圈气孔14。

每层原料盒2内的原料受热蒸发变为气相后，蒸汽气流沿内圈气孔14和外圈气孔10向上流动，最终流入沉积管。本实施例技术方案中，相邻两层上述原料盒2上的上述外圈气孔10依次交错设置，相邻两层上述原料盒2上的上述内圈气孔14依次交错设置，使得加热蒸发产生的气相原料沿曲线依次穿经各上述原料盒2。具体的，相邻两层上述原料盒2上的上述外圈气孔10交错的角度为10°～45°，相邻两层上述原料盒2上的上述内圈气孔14交错的角度为10°～45°。此处的交错设置可以理解为：相邻两层原料盒2上的内圈气孔14彼此是错开、轴向上不贯通的，气流在相邻两层原料盒2上流动的路径为：

下一层原料盒→下一层原料盒的内圈气孔、下一层原料盒的外圈气孔→上一层原料盒→上一层原料盒的内圈气孔、上一层原料盒的外圈气孔，整体以曲线依次穿经各层原料盒，相较于直线贯通的穿经各层原料盒能够更好的控制蒸发过程，克服气相掺杂中稀土蒸汽气流不稳定的缺陷，最终提高光纤离子掺杂均匀性、起到降低光纤损耗的作用。

另，上述相邻两层原料盒上的气孔交错(交替错开)可以理解为，沿顺时针或者逆时针方向，相邻两层原料盒上气孔的出现顺序为：上层原料盒的气孔、下层原料盒气孔、上层原料盒气孔，依次类推。

上述相邻两层原料盒上的气孔交错的角度可以理解为，上层原料盒气孔的中心与上层原料盒的中心连线为L1，在上层原料盒上虚拟一个虚拟气孔，该虚拟气孔与下层原料盒上的气孔上下贯通，上层原料盒上的虚拟气孔的中心与上层原料盒的中心连线为L2，L1和L2的夹角为相邻两层原料盒上的气孔交错角度。交错角度为22.5°时蒸汽气流流动的稳定性最优。

上述蒸发装置还包括同轴套设在中空轴杆6上、且顶部敞口的底盒20，最底层的上述原料盒2叠设在底盒20上、封闭底盒20的敞口，上述底盒20上设有轴向贯通的进气孔22。通过进气孔22向底盒20内注入氮气或/和氧气，并携带更多的稀土离子进入沉积管中进行氧化反应生成含稀土元素的氧化物掺入芯层玻璃管中。

上述顶盖4上设有导流槽16，上述导流槽16与最顶层原料盒2的上述内圈气孔14连通。具体的，上述顶盖4上对应最顶层原料盒2的每个内圈气孔14均设有导流槽16，每个上述导流槽16均与各自的内圈气孔14连通，各上述导流槽16以顶盖4的中心为中心向外侧辐射式排布。上述导流槽16起到导流作用，使得原料蒸汽向四周流动进入沉积管。

上述导流槽16可以封闭式的设计在顶盖4内部，其两端分别与内圈气孔14和沉积管连通；还可以设计为敞口式，即上述导流槽16的槽口敞口设置，上述顶盖4上同轴叠设有端盖18，上述端盖18同轴套设在中空轴杆6上。本实施例技术方案中，优选使用敞口式设计，敞口式设计能够加快气流进入沉积管的速度和提高气流的流动性。

上述中空轴杆6的一端固定在底盒20上，上述中空轴杆6的另一端设有螺纹段24，上述端盖18上设有轴线贯通的螺纹孔，上述底盒20、各原料盒2、顶盖4和端盖18依次同轴套设在中空轴杆6上后通过螺纹孔和螺纹段24的配合固定为一个整体。整体结构紧凑，占地面积小，相邻两层层结构形成彼此的密封件，确保气流顺利、稳定的进入沉积管。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。