一种铒镱共掺氟硫磷酸盐高增益单模光纤及其制备方法和应用

本发明涉及光纤，特别涉及一种铒镱共掺氟硫磷酸盐高增益单模光纤及其制备方法和应用。

背景技术：

1、1.5μm光纤激光具有人眼安全和大气传输性能好等优势，在光纤通信、激光医疗、航空探测和国防军工等领域具有广阔的应用前景。光纤激光器输出性能极大程度上取决于增益介质。而传统石英光纤的稀土离子溶解度有限(～1019ions/cm3)，增益系数较低(1～2db/cm)。基于石英光纤的激光器增益介质使用长度在数十厘米到米级，阻碍了激光元器件的小型集成化。同时，较低的增益系数限制了功率和其他激光性能参数的提升。基于石英光纤的单频激光器功率仅为数个毫瓦，锁模激光器的重复频率则为几个吉赫兹乃至兆赫兹级。因此探索新型高增益激光光纤基质势在必行。

2、相较于石英玻璃，磷酸盐玻璃对稀土离子的溶解度大(1021ions/cm3)，增益系数高(～5db/cm)，是超窄线宽单频、超高重频飞秒光纤激光器件的增益介质之一。将氟化物引入磷酸盐玻璃可得到氟磷酸盐(fp)玻璃，fp玻璃具有低的线性(1.4～1.5)和非线性折射率(2.05～2.14×10–20m2/w)，有利于消除自聚焦和自损伤。且氟离子降低了稀土离子局域环境的声子态密度，有利于提升量子效率。然而fp玻璃的发射截面较低，化学耐候性较差，限制了其在光学器件领域的应用。研究表明引入硫酸盐可提升fp玻璃的光谱参数，新形成的氟硫磷酸盐(fsp)玻璃具有当时商用激光玻璃两倍以上的发射截面。wondraczek等指出，fsp玻璃中的氟离子和硫酸根离子可以作为稳定高解聚磷酸盐基团之间的离子交联剂，使其具有良好的成玻性能与稳定性。同时，硫酸盐也可增强磷酸盐玻璃的流变学和化学性质。因此，fsp玻璃结合了磷酸盐和氟化物玻璃的优势，硫酸根的引入增强了其稳定性与发射参数，有望应用于新型激光玻璃及光纤器件。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的之一在于提供一种铒镱(er3+/yb3+)共掺氟硫磷酸盐高增益单模光纤。

2、本发明的另一目的在于提供上述铒镱共掺氟硫磷酸盐高增益单模光纤的制备方法。

3、本发明的再一目的在于提供上述铒镱共掺氟硫磷酸盐高增益单模光纤在光纤器件中的应用。

4、本发明的目的通过以下技术方案实现：

5、一种铒镱共掺氟硫磷酸盐高增益单模光纤，所述单模光纤包括纤芯以及包覆在所述纤芯表面的包层；

6、所述包层为氟硫磷酸盐玻璃，所述纤芯为铒镱共掺的氟硫磷酸盐玻璃；

7、所述氟硫磷酸盐玻璃中的组分包括：al(po3)3、kpo3、ba(po3)2、baf2、baso4；

8、所述铒镱共掺的氟硫磷酸盐玻璃的组分包括：al(po3)3、kpo3、ba(po3)2、baf2、baso4、yb2o3和er2o3。

9、优选地，所述包层中各组分的摩尔百分比为：al(po3)3 10％～70％、kpo35％～50％、ba(po3)2 1％～40％、baf2 1％～30％、baso4 1％～30％；

10、具体地，包层的氟硫磷酸盐玻璃中al(po3)3的摩尔百分比包括但不限于：10％、15％、20％、25％、30％、33％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％、47％、50％、55％、60％、65％、70％；

11、具体地，包层的氟硫磷酸盐玻璃中kpo3的摩尔百分比包括但不限于：5％、10％、15％、18％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％、32％、35％、40％、45％、50％；

12、具体地，包层的氟硫磷酸盐玻璃中ba(po3)2的摩尔百分比包括但不限于：1％、5％、8％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、22％、25％、30％、35％、40％；

13、具体地，包层的氟硫磷酸盐玻璃中baf2的摩尔百分比包括但不限于：1％、3％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、17％、20％、25％、30％；

14、具体地，包层的氟硫磷酸盐玻璃中baso4的摩尔百分比包括但不限于：1％、3％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、17％、20％、25％、30％。

15、所述纤芯中各组分的摩尔百分比为：al(po3)3 10％～70％、kpo3 5％～50％、ba(po3)2 1％～40％、baf2 1％～30％、baso4 1％～30％、yb2o3 0.1％～10％和er2o30.1％～10％。

16、具体地，纤芯的铒镱共掺的氟硫磷酸盐玻璃中al(po3)的摩尔百分比包括但不限于：10％、15％、20％、25％、30％、33％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％、47％、50％、55％、60％、65％、70％；

17、具体地，纤芯的铒镱共掺的氟硫磷酸盐玻璃中kpo3的摩尔百分比包括但不限于：5％、10％、13％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、27％、30％、35％、40％、45％、50％；

18、具体地，纤芯的铒镱共掺的氟硫磷酸盐玻璃中ba(po3)2的摩尔百分比包括但不限于：1％、5％、8％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、22％、25％、30％、35％、40％；

19、具体地，纤芯的铒镱共掺的氟硫磷酸盐玻璃中baf2的摩尔百分比包括但不限于：1％、3％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、17％、20％、25％、30％；

20、具体地，纤芯的铒镱共掺的氟硫磷酸盐玻璃中baso4的摩尔百分比包括但不限于：1％、3％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、17％、20％、25％、30％；

21、具体地，纤芯的铒镱共掺的氟硫磷酸盐玻璃中yb2o3的摩尔百分比包括但不限于：0.1％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％。

22、优选地，所述包层中各组分的摩尔百分比为：al(po3)3 30％～50％、kpo310％～40％、ba(po3)2 5％～30％、baf2 1％～20％、baso4 1％～20％；

23、所述纤芯中各组分的摩尔百分比为：al(po3)3 30％～50％、kpo3 10％～30％、ba(po3)2 5％～30％、baf2 1％～20％、baso4 1％～20％、yb2o3 1％～5％和er2o31％～5％。

24、优选地，所述包层中各组分的摩尔百分比为：al(po3)3 35％～45％、kpo320％～30％、ba(po3)2 10％～20％、baf2 5％～15％、baso4 5％～15％；

25、所述纤芯中各组分的摩尔百分比为：al(po3)3 35％～45％、kpo3 15％～25％、ba(po3)2 10％～20％、baf2 5％～15％、baso4 5％～15％、yb2o3 1％～3％和er2o31％～2％。

26、优选地，所述铒镱共掺氟硫磷酸盐高增益单模光纤的截止波长为1.5μm，1540nm处增益为4～6db/cm。

27、上述铒镱共掺氟硫磷酸盐高增益单模光纤的制备方法，包括如下步骤：

28、获取包层玻璃胚料以及纤芯玻璃胚料；

29、将所述纤芯玻璃胚料制成纤芯预制棒，然后对所述纤芯预制棒采用加热拉细工艺制备芯棒；

30、对所述包层玻璃胚料采用机械冷加工方式制备包层预制棒；

31、将所述芯棒与所述包层预制棒进行组装，并采用加热拉细工艺制备所述铒镱共掺氟硫磷酸盐高增益单模光纤。

32、优选地，获取所述包层玻璃胚料的方法包括如下步骤：

33、按照所述包层的组成称取原料并混合得到混合物料1；

34、所得混合物料1在1200℃～1300℃条件下熔制并保温4～6h，保温过程中通入净化的氧气和四氯化碳3～5h以去除羟基离子oh-，经搅拌、均化、澄清，制备第一玻璃液；

35、将所述第一玻璃液浇注到预热至200℃～400℃的模具中成型，退火，制备所述包层玻璃胚料；及/或

36、获取所述纤芯玻璃胚料的方法包括如下步骤：

37、按照所述纤芯的组成称取原料并混合得到混合物料2；

38、所得混合物料2在1200℃～1300℃条件下熔制并保温4～6h，保温过程中通入净化的氧气和四氯化碳3～5h以去除羟基离子oh-，经搅拌、均化、澄清，制备第二玻璃液；

39、将所述第二玻璃液浇注到预热至200℃～400℃的模具中成型，退火，制备所述纤芯玻璃胚料。

40、优选地，加热拉细工艺的温度为700℃～900℃。

41、上述述的铒镱共掺氟硫磷酸盐高增益单模光纤在光纤器件中的应用。

42、优选地，所述光纤器件为光纤激光器或光纤放大器。

43、本发明具有如下优点及有益效果：

44、上述铒镱共掺氟硫磷酸盐高增益单模光纤，以氟硫磷酸盐玻璃替代传统的石英玻璃，其中，多阴离子氟硫磷酸盐玻璃结合了磷酸盐玻璃稀土掺杂浓度高(～1021ions/cm3)、成玻性能优异、加工性能良好以及氟化物玻璃非线性折射率低、光学光谱性质优异等特点。同时，氟化物的引入还有助于降低玻璃中羟基含量，提高稀土离子发光效率，硫酸根的引入则能够调控玻璃的结构与性质和稀土离子局域环境，进而增强受激辐射跃迁性能。综上，以氟硫磷酸盐玻璃作为基质材料可制备高增益的光纤，且有利于实现低阈值、高效率激光输出。具体地，上述铒镱共掺氟硫磷酸盐高增益单模光纤的截止波长为1.5μm，在1540nm峰值达3～6db/cm。

45、另外，上述铒镱共掺高增益氟硫磷酸盐高增益单模光纤还能在较小泵浦功率条件下实现较高增益，有望应用于光纤放大器，低阈值、紧凑型单频光纤激光器及高重频光纤激光器等领域。