一種Nd3+/Ho3+共摻實現2.0μm雷射的碲酸鹽光纖及其製備方法與流程
2023-07-12 16:07:57 4
本發明屬於光纖領域，特別涉及一種nd3+/ho3+共摻實現2.0μm雷射的碲酸鹽光纖及其製備方法。
背景技術：
水分子在2.0μm波段附近有很強的中紅外吸收峰，因此，用該波段雷射器進行手術時，雷射照射部位血液迅速凝結，手術創面小，止血性好，並且該波段雷射對人眼是安全的，所以2.0μm雷射器在醫療和生物學研究方面有廣泛的應用前景。由於覆蓋1.88μm、1.91μm和2.412μm這三個重要的分子吸收帶，2.0μm波段雷射器在遙感和光通信也有著重要的應用前景。2.0μm雷射是雷射測距機想幹都卜勒測風雷達、水蒸氣拋面差分吸收雷射雷達系統等的理想光源，並且它還是獲得3～5μm、8～12μm波段光學參量振蕩器的理想抽運源。因此，近年來2.0μm雷射備受科研工作者的青睞。
到目前為止，科研工作者已經在眾多玻璃基質(石英玻璃、氟化物玻璃、鍺酸鹽玻璃和碲酸鹽玻璃)中實現了2.0μm雷射輸出。與前三種玻璃基質相比，碲酸鹽玻璃基質具有一些優異的性能。在所有氧化物玻璃中，碲酸鹽玻璃的最大聲子能量是最低的，這有利於增強2.0μm發光。與石英玻璃相比，碲酸鹽玻璃的紅外透過波長更長，甚至能達到5μm。與石英玻璃和鍺酸鹽玻璃相比，碲酸鹽玻璃的多種多面體結構以及稀土離子可以佔據網絡修飾體的位置使其具有很強的稀土離子溶解能力。與氟化物玻璃相比，它們具有更高的化學穩定性和寬鬆的製備環境。另外，它們還具有2以上的折射率，這增加了稀土離子的吸收和發射截面。
ho3+離子是一種重要的實現2.0μm雷射的激活離子。它的雷射上能級壽命長而且輸出波長要長於tm3+離子。不幸的是，它缺少與商用808nm或980nm半導體雷射器雷射波長相匹配的吸收帶。因此需要添加在808nm或980nm波長附近具有強吸收帶的稀土離子(如yb3+、tm3+和er3+)來敏化ho3+離子，幫助其實現2.0μm雷射。與tm3+離子相比，nd3+離子在808nm附近具有更強的吸收，而且能與808nm半導體雷射器雷射波長完美匹配。同時，它在900nm附近的螢光帶能與ho3+離子900nm附近的吸收帶很好地重疊。因此，nd3+/ho3+組合是一種理想的實現2.0μm雷射的方式。
光纖性能好壞與光纖預製棒的質量息息相關。管棒法是一種常用的製備多組份玻璃光纖預製棒的方法。製備過程中，需要對玻璃進行切割、鑽孔等冷加工處理，因此對於機械強度不夠高的碲酸鹽光纖預製棒製備來說，無疑是一個非常巨大的挑戰。另外，管棒法製備光纖預製棒的周期很長，且需要消耗大量的原材料。
技術實現要素：
本發明目的在於提供一種nd3+/ho3+共摻實現2.0μm雷射的碲酸鹽光纖及其製備方法，所述碲酸鹽光纖的製備方法避免了機械強度不夠高的碲酸鹽玻璃冷加工過程，縮短了光纖製備周期及大幅度地節約了原材料。
本發明的技術解決方案如下：
一種nd3+/ho3+共摻實現2.0μm雷射的碲酸鹽光纖，包括包層玻璃和纖芯玻璃，所述包層玻璃各組份的摩爾百分比mol％為：teo2為50～70、wo3為20～40、zno為0～5、bao為0～2、la2o3為0～10、na2o為0～3；所述纖芯玻璃各組份的摩爾百分比mol％為：teo2為50～70、wo3為20～40、zno為0～5、bao為0～2、la2o3為0～10、na2o為0～3、nd2o3為0～2、ho2o3為0～2。
一種nd3+/ho3+共摻實現2.0μm雷射的碲酸鹽光纖的製備方法，該方法包括：
(1)包層玻璃的熔制：按照權利要求1所述的組份及組份配比精確稱取各原料，混合均勻後，放入黃金坩堝中，然後將黃金坩堝放入矽碳棒電爐中，在溫度範圍800～900℃，將原料熔化，經均化、澄清後，包層玻璃熔體在700～800℃準備出爐；
(2)纖芯玻璃的熔制：按照權利要求1所述的組份及組份配比精確稱取各原料，混合均勻後，放入黃金坩堝中，然後將黃金坩堝放入矽碳棒電爐中，在溫度範圍800～900℃，將原料熔化，經均化、澄清後，纖芯玻璃熔體在700～800℃準備出爐；
(3)光纖預製棒製備：
①將步驟(1)製得的包層玻璃熔體，在700～800℃條件下緩慢地倒入圓柱形黃銅模具，且所述圓柱形黃銅模具預熱至400～450℃；
②將步驟(2)製得的纖芯玻璃熔體，在700～800℃條件下迅速倒入①中所述的圓柱形黃銅模具中；
③待包層玻璃熔體及纖芯玻璃熔體凝固時，將②中所述的圓柱形黃銅模具迅速放入溫度為400～450℃的馬弗爐精密退火，保溫2h後，以15℃/h的速率降至室溫，脫模處理後，便得到光纖預製棒；
(4)拉絲處理：將步驟(3)中得到光纖預製棒放入拉絲塔中，在600～700℃溫度條件下拉制光纖，最終製得所述光纖。
本發明的有益效果為：
(一)本發明利用nd3+離子敏化ho3+離子，在5cm長的nd3+/ho3+共摻碲酸鹽光纖中實現了2.0μm雷射；
(二)本發明所述碲酸鹽光纖的製備方法避免了對碲酸鹽玻璃切割、鑽孔等冷加工過程，成功解決了管棒法製備預製棒周期長而且需要消耗大量原料的問題；並且所述碲酸鹽光纖的製備方法比較簡單，周期短且生產成本較低，具有很好的實用化前景。
附圖說明
圖1為nd3+/ho3+共摻碲酸鹽光纖預製棒製備過程示意圖。
具體實施方式
以下將結合實施例和附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果進行清楚、完整地描述，以充分地理解本發明的目的、特徵和效果。顯然，所描述的實施例只是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例，基於本發明的實施例，本領域的技術人員在不付出創造性勞動的前提下所獲得的其他實施例，均屬於本發明保護的範圍。
實施例1
包層玻璃的組份(mol％)為：teo2為55、wo3為25、zno為5、bao為2、la2o3為10、na2o為3；纖芯玻璃的組份(mol％)為：teo2為55、wo3為25、zno為5、bao為1.5、la2o3為10、na2o為2.5、nd2o3為0.5、ho2o3為0.5；
參照圖1，所述光纖的具體步驟為：
(1)包層玻璃的熔制：按照上述組份配比並精確稱取各原料，混合均勻後，放入黃金坩堝中，然後將黃金坩堝放入矽碳棒電爐中，熔制溫度為850℃、熔制時間為2h條件下，將原料熔化，經均化、澄清後，包層玻璃熔體的出料溫度為730℃；
(2)纖芯玻璃的熔制：按照上述組份配比並精確稱取各原料，混合均勻後，放入黃金坩堝中，然後將黃金坩堝放入矽碳棒電爐中，熔制溫度為850℃、熔制時間為2h條件下，將原料熔化，經均化、澄清後，纖芯玻璃熔體的出料溫度為730℃；
(3)光纖預製棒製備：
①將步驟(1)製得的包層玻璃熔體，在730℃條件下緩慢地倒入圓柱形黃銅模具，且所述圓柱形黃銅模具預熱至420℃；
②將步驟(2)製得的纖芯玻璃熔體，在730℃條件下迅速倒入①中所述的圓柱形黃銅模具中；
③待包層玻璃熔體及纖芯玻璃熔體凝固時，將②中所述的圓柱形黃銅模具迅速放入溫度為420℃的馬弗爐精密退火，保溫2h後，以15℃/h的速率降至室溫，脫模處理後，便得到光纖預製棒；
(4)拉絲處理：將步驟(3)中得到光纖預製棒放入拉絲塔中，在650℃溫度條件下拉制光纖，最終製得所述光纖。所述光纖中能輸出2.0μm雷射，雷射閾值較高。
實施例2
包層玻璃的組份(mol％)為：teo2為50、wo3為30、zno為5、bao為3、la2o3為10、na2o為3；纖芯玻璃的組份(mol％)為：teo2為50、wo3為30、zno為5、bao為2.5、la2o3為10、na2o為1.5、nd2o3為0.5、ho2o3為0.5；
參照圖1，所述光纖的具體步驟為：
(1)包層玻璃的熔制：按照上述組份配比並精確稱取各原料，混合均勻後，放入黃金坩堝中，然後將黃金坩堝放入矽碳棒電爐中，熔制溫度為880℃、熔制時間為2h條件下，將原料熔化，經均化、澄清後，包層玻璃熔體的出料溫度為780℃；
(2)纖芯玻璃的熔制：按照上述組份配比並精確稱取各原料，混合均勻後，放入黃金坩堝中，然後將黃金坩堝放入矽碳棒電爐中，熔制溫度為880℃、熔制時間為2h條件下，將原料熔化，經均化、澄清後，纖芯玻璃熔體的出料溫度為780℃；
(3)光纖預製棒製備：
①將步驟(1)製得的包層玻璃熔體，在780℃條件下緩慢地倒入圓柱形黃銅模具，且所述圓柱形黃銅模具預熱至450℃；
②將步驟(2)製得的纖芯玻璃熔體，在780℃條件下迅速倒入①中所述的圓柱形黃銅模具中；
③待包層玻璃熔體及纖芯玻璃熔體凝固時，將②中所述的圓柱形黃銅模具迅速放入溫度為450℃的馬弗爐精密退火，保溫2h後，以15℃/h的速率降至室溫，脫模處理後，便得到光纖預製棒；
(4)拉絲處理：將步驟(3)中得到光纖預製棒放入拉絲塔中，在680℃溫度條件下拉制光纖，最終製得所述光纖，光纖直徑為125μm，纖芯直徑為40μm，在5cm長的光纖中能輸出2.0μm雷射，並且雷射閾值僅為38mw。這一數值遠低於瓦級雷射閾值的石英光纖，有利於光纖雷射器的小型化。
實施例3
包層玻璃的組份(mol％)為：teo2為60、wo3為20、zno為5、bao為2、la2o3為9、na2o為4；纖芯玻璃的組份(mol％)為：teo2為60、wo3為20、zno為5、bao為1.5、la2o3為9、na2o為3.5、nd2o3為0.5、ho2o3為0.5；
參照圖1，所述光纖的具體步驟為：
(1)包層玻璃的熔制：按照上述組份配比並精確稱取各原料，混合均勻後，放入黃金坩堝中，然後將黃金坩堝放入矽碳棒電爐中，熔制溫度為820℃、熔制時間為2h條件下，將原料熔化，經均化、澄清後，包層玻璃熔體的出料溫度為700℃；
(2)纖芯玻璃的熔制：按照上述組份配比並精確稱取各原料，混合均勻後，放入黃金坩堝中，然後將黃金坩堝放入矽碳棒電爐中，熔制溫度為820℃、熔制時間為2h條件下，將原料熔化，經均化、澄清後，纖芯玻璃熔體的出料溫度為700℃；
(3)光纖預製棒製備：
①將步驟(1)製得的包層玻璃熔體，在700℃條件下緩慢地倒入圓柱形黃銅模具，且所述圓柱形黃銅模具預熱至400℃；
②將步驟(2)製得的纖芯玻璃熔體，在700℃條件下迅速倒入①中所述的圓柱形黃銅模具中；
③待包層玻璃熔體及纖芯玻璃熔體凝固時，將②中所述的圓柱形黃銅模具迅速放入溫度為400℃的馬弗爐精密退火，保溫2h後，以15℃/h的速率降至室溫，脫模處理後，便得到光纖預製棒；
(4)拉絲處理：將步驟(3)中得到光纖預製棒放入拉絲塔中，在620℃溫度條件下拉制光纖，最終製得所述光纖。所述光纖中能輸出2.0μm雷射，雷射閾值較高。
實施例4
包層玻璃的組份(mol％)為：teo2為55、wo3為25、zno為5、bao為2、la2o3為10、na2o為3；纖芯玻璃的組份(mol％)為：teo2為55、wo3為25、zno為5、bao為1.5、la2o3為10、na2o為2、nd2o3為1、ho2o3為0.5；
參照圖1，所述光纖的具體步驟為：
(1)包層玻璃的熔制：按照上述組份配比並精確稱取各原料，混合均勻後，放入黃金坩堝中，然後將黃金坩堝放入矽碳棒電爐中，熔制溫度為850℃、熔制時間為2h條件下，將原料熔化，經均化、澄清後，包層玻璃熔體的出料溫度為730℃；
(2)纖芯玻璃的熔制：按照上述組份配比並精確稱取各原料，混合均勻後，放入黃金坩堝中，然後將黃金坩堝放入矽碳棒電爐中，熔制溫度為850℃、熔制時間為2h條件下，將原料熔化，經均化、澄清後，纖芯玻璃熔體的出料溫度為730℃；
(3)光纖預製棒製備：
①將步驟(1)製得的包層玻璃熔體，在730℃條件下緩慢地倒入圓柱形黃銅模具，且所述圓柱形黃銅模具預熱至420℃；
②將步驟(2)製得的纖芯玻璃熔體，在730℃條件下迅速倒入①中所述的圓柱形黃銅模具中；
③待包層玻璃熔體及纖芯玻璃熔體凝固時，將②中所述的圓柱形黃銅模具迅速放入溫度為420℃的馬弗爐精密退火，保溫2h後，以15℃/h的速率降至室溫，脫模處理後，便得到光纖預製棒；
(4)拉絲處理：將步驟(3)中得到光纖預製棒放入拉絲塔中，在650℃溫度條件下拉制光纖，最終製得所述光纖。所述光纖中能輸出2.0μm雷射，雷射閾值較高。