一種稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖及製造方法與流程
2023-07-22 19:20:41
本發明涉及一種稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖及製造方法，屬於玻璃光纖製備技術領域。
背景技術：
對於微晶玻璃的研究已比較成熟，國內外已成功製備出各種各樣的氟化物微晶玻璃，然而對於稀土摻雜的微納米晶玻璃光纖的研究卻進展緩慢。主要的原因在於微晶玻璃在拉製成光纖的過程中，玻璃中的微納米晶體會進一步長大，使得光纖的散射損耗劇增。2001年，康寧公司的B.N.Samson等人採用雙坩堝法製備出含有CdF2,PbF2,和YF3微納米晶體的Nd3+摻雜的微晶玻璃光纖，利用該光纖實現了1.064μm光纖雷射輸出，斜率效率達到28％。2002年，該團隊採用管棒法製備出Ni摻雜的矽酸鹽微晶玻璃光纖，通過後續的熱處理在光纖纖芯中析出MgAl2O4晶體，使得光纖在1100-1300nm範圍內的增益得到增強。由於玻璃析出微晶過程中由於晶體的析出會造成玻璃體積的微小變化，導致光纖纖芯與界面之間結合處出現缺陷，從而使光纖的損耗增加。2011年，法國的W.Blanc等採用MCVD的方法，製備出Er3+摻雜納米晶玻璃為纖芯石英玻璃為包層的複合光纖材料,通過微晶化，Er3+的近紅外增益帶寬得到展寬。然而，MCVD的方法只適用於單組分的玻璃光纖的製備。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種採用全新成分結構設計，能夠有效提高光信號傳輸效率的稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖。
本發明為了解決上述技術問題採用以下技術方案：本發明設計了一種稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖，包括纖芯，以及包裹在纖芯外層的套管；纖芯採用稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃材料製成，套管採用石英玻璃材料製成。
作為本發明的一種優選技術方案：所述製成纖芯的稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃材料中包括矽酸鹽玻璃材料、磷酸鹽玻璃材料、碲化物玻璃材料、硫化物玻璃材料或氟化物玻璃材料中的任意一種。
作為本發明的一種優選技術方案：所述製成套管的石英玻璃材料為高純石英玻璃材料。
本發明所述一種稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：本發明所設計的稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖，採用石英玻璃作為套管，通過採用稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃材料作為纖芯材料，提高了稀土離子的發光效率，並且採用石英玻璃作為包層材料，可以避免在微晶玻璃拉制過程中纖芯中的微納米晶體二次長大，並且在熱處理過程中，由於光纖的套管材料與纖芯材料的熱性能相差比較大，在纖芯材料析晶溫度下進行熱處理時，套管材料中並不析出晶體，這樣纖芯材料中析出微晶提高了纖芯中稀土離子的增益特性，而套管材料由於並未析晶，透過率就不會因為析晶而導致損耗增加，進而有效提高了所設計微晶玻璃光纖的光信號傳輸效率。
與上述技術方案相對應，本發明所要解決的技術問題是還提供一種採用全新架構設計，步驟邏輯清晰，能夠有效提高生產效率的針對稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖的製造方法。
本發明為了解決上述技術問題採用以下技術方案：本發明設計了一種稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖的製造方法，包括如下步驟：
步驟001.根據預設成分組成，獲得稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃，並進入步驟002；
步驟002.採用稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃，製成預設尺寸的纖芯細棒，並進入步驟003；
步驟003.採用石英玻璃製成套管，且套管的孔徑與纖芯細棒的外徑相適應，並進入步驟004；
步驟004.針對纖芯細棒和套管進行清洗預處理，接著將套管套設在纖芯細棒的外層，並針對套管內部進行抽真空處理，再針對套管進行密封，獲得光纖預製棒，然後進入步驟005；
步驟005.在所述製成套管的石英玻璃材料的軟化溫度下，根據預設拉絲速度、預設所獲光纖尺寸針對光纖預製棒進行拉絲操作，獲得光纖，然後進入步驟006；
步驟006.在所述稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃的析晶溫度下，針對光纖進行熱處理，控制稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃所製成的纖芯進行析晶處理，最終獲得光纖。
作為本發明的一種優選技術方案：所述步驟001中，針對預設的組成成分，依次經過稱料、混合、融制、攪拌、澄清、成型、退火各個操作，獲得稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃。
作為本發明的一種優選技術方案：所述步驟001中，針對預設的組成成分，所述融制的溫度為1300℃-1500℃，融制時間為30分鐘-2小時，採用石英攪拌槓進行攪拌，且攪拌的速度為5r/min-60r/min。
作為本發明的一種優選技術方案：所述步驟002中，針對稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃，依次經過切割、粗磨、粗拋光、精拋光，製成預設尺寸的纖芯細棒。
作為本發明的一種優選技術方案：所述步驟004，針對纖芯細棒和套管，採用酒精浸泡進行清洗，實現預處理操作。
本發明所述一種稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖採用的製造方法，採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：本發明所設計的稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖的製造方法，基於纖芯和套管分別採用不同材料的設計，進一步設計微晶玻璃光纖的具體製造方法，整個架構邏輯清晰，根據纖芯和套管不同材料析晶溫度之間較大的不同，一方面避免在微晶玻璃拉制過程中纖芯中的微納米晶體二次長大，另一方面在熱處理過程中，僅需考慮纖芯材料析晶溫度，在纖芯材料析晶溫度下進行熱處理時，套管材料中並不析出晶體，使得纖芯材料中析出微晶提高了纖芯中稀土離子的增益特性，而套管材料由於並未析晶，透過率就不會因為析晶而導致損耗增加，進而有效提高了所設計微晶玻璃光纖的光信號傳輸效率，因此，整個設計製造方法步驟方便快捷，大大提高了生產工作效率。
附圖說明
圖1是本發明所設計稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖的剖面示意圖；
圖2是本發明實施例中纖芯材料的示差掃描量熱法曲線示意圖；
圖3是本發明實施例中微晶玻璃光纖熱處理前後的X射線衍射曲線示意圖；
圖4是本發明實施例中纖芯的螢光光譜示意圖；
圖5是本發明實施例中纖芯螢光衰減曲線示意圖。
其中，1.套管，2.纖芯。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。
採用氟氧化物微晶玻璃作為稀土摻雜的增益光纖基質材料具有以下幾個方面的優勢；一方面，氟氧化物玻璃在～3μm處具有較高的透過率，且其機械強度及物理化學性能相比於氟化物玻璃都更優。另一方面，當稀土離子富集於氟化物微納米晶體格位中時，由於氟化物微納米晶具有極低的聲子能量，將大大降低稀土離子的無輻射躍遷概率，增強其發光效率。此外，光纖的散射損耗與微納米晶體的尺寸成正比，與雷射運行波長的四次方成反比。微晶玻璃中的氟化物微納米晶體的尺寸一般為幾納米到幾十納米，而光纖的雷射運行波長在較長的～3μm處，因此，由微納米晶體產生的散射損耗可忽略不計。採用稀土摻雜的氟氧化物微晶玻璃作為光纖纖芯，製備在～3μm具有高增益、低損耗的微晶玻璃光纖，對發展高效率、高功率～3μm光纖雷射器具有重大的意義。
如圖1所示，本發明所設計的一種稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖，包括纖芯，以及包裹在纖芯外層的套管；纖芯採用稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃材料製成，套管採用石英玻璃材料製成；其中，製成纖芯的稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃材料中包括矽酸鹽玻璃材料、磷酸鹽玻璃材料、碲化物玻璃材料、硫化物玻璃材料或氟化物玻璃材料中的任意一種；製成套管的石英玻璃材料為高純石英玻璃材料。上述技術方案所設計的稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖，採用石英玻璃作為套管，通過採用稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃材料作為纖芯材料，提高了稀土離子的發光效率，並且採用石英玻璃作為包層材料，可以避免在微晶玻璃拉制過程中纖芯中的微納米晶體二次長大，並且在熱處理過程中，由於光纖的套管材料與纖芯材料的熱性能相差比較大，在纖芯材料析晶溫度下進行熱處理時，套管材料中並不析出晶體，這樣纖芯材料中析出微晶提高了纖芯中稀土離子的增益特性，而套管材料由於並未析晶，透過率就不會因為析晶而導致損耗增加，進而有效提高了所設計微晶玻璃光纖的光信號傳輸效率。
本發明針對所設計稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖的結構，進一步詳細設計了稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖的製造方法，具體包括如下步驟：
步驟001.針對預設的組成成分，依次經過稱料、混合、融制、攪拌、澄清、成型、退火各個操作，獲得稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃，並進入步驟002；其中，融制的溫度為1300℃-1500℃，融制時間為30分鐘-2小時，採用石英攪拌槓進行攪拌，且攪拌的速度為5r/min-60r/min。
步驟002.採用稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃，依次經過切割、粗磨、粗拋光、精拋光，製成預設尺寸的纖芯細棒，並進入步驟003。
步驟003.採用石英玻璃製成套管，且套管的孔徑與纖芯細棒的外徑相適應，並進入步驟004。
步驟004.針對纖芯細棒和套管，採用酒精浸泡進行清洗，實現預處理操作，接著將套管套設在纖芯細棒的外層，並針對套管內部進行抽真空處理，再針對套管進行密封，獲得光纖預製棒，然後進入步驟005。
步驟005.在所述製成套管的石英玻璃材料的軟化溫度下，根據預設拉絲速度、預設所獲光纖尺寸針對光纖預製棒進行拉絲操作，獲得光纖，然後進入步驟006。
上述步驟005中，將光纖預製棒放置於拉絲爐中，將拉絲爐的溫度升溫達到1200～1900℃，即在所述製成套管的石英玻璃材料的軟化溫度下針對光纖預製棒進行拉絲，其中，控制拉絲的速度為10～100r/min、通過控制拉絲機上面下料器的下降速度，使得光纖預製棒的加入速度為1～20mm/min進行拉絲，拉制出不同直徑的光纖。
步驟006.在所述稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃的析晶溫度下，針對光纖進行熱處理，控制稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃所製成的纖芯進行析晶處理，最終獲得光纖。
基於上述本發明所設計一種稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖及製造方法，進行具體實施例研究，
步驟001.選取鉺摻雜氟矽酸鹽玻璃作為纖芯材料，其組成為45SiO2-20Al2O3-10CaO-25CaF2-2ErF3(mol％)，該鉺摻雜氟矽酸鹽玻璃的示差掃描量熱法(DSC)曲線如圖2所示，其中，玻璃轉變溫度Tg為640℃，析晶開始溫度Tp1為760℃左右，該鉺摻雜氟矽酸鹽玻璃的軟化溫度為850℃左右，針對該鉺摻雜氟矽酸鹽玻璃，按組成稱取原料，在1550℃下保溫2h，將玻璃液倒到預熱到500℃的模具上面形成稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃，然後將玻璃放到500℃的馬弗爐中保溫3h，再隨爐冷卻到室溫以消除玻璃中的熱應力，接著進入步驟002；
步驟002.將稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃放工具機上面加工成圓柱體，半徑為1.5mm，長度為8mm，再經過粗拋光、精拋光，製成預設尺寸的纖芯細棒，接著將纖芯細棒在拉絲塔上面進行拉絲，拉絲溫度為880℃，拉絲速度為20mm/min，獲得直徑為1mm左右的纖芯細棒，然後進入步驟003。
步驟003.選取高純石英玻璃材料製成套管，套管的外徑為12.5mm，內經為1mm，並進入步驟004。
步驟004.針對纖芯細棒和套管，採用酒精浸泡進行清洗，實現預處理操作，接著將套管套設在纖芯細棒的外層，並針對套管內部進行抽真空處理，再針對套管進行密封，獲得光纖預製棒，然後進入步驟005。
步驟005.將光纖預製棒放置於拉絲爐中，將拉絲爐的溫度升溫達到2000℃，即在所述製成套管的石英玻璃材料的軟化溫度下，按0.2cm/s的拉絲速度，針對光纖預製棒進行拉絲，獲得光纖，然後進入步驟006。
步驟006.在所述稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃的析晶溫度740℃下，針對光纖進行熱處理2小時，控制稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃所製成的纖芯進行析晶處理，最終獲得纖芯為含CaF2納米晶體的微晶玻璃光纖。如圖3所示，為微晶玻璃光纖熱處理前後的X射線衍射(XRD)曲線示意圖，其中，2θ為射線衍射角度；最終所獲含CaF2納米晶體的微晶玻璃光纖中，纖芯的螢光光譜，如圖4所示，纖芯螢光衰減曲線，如圖5所示。
上面結合附圖對本發明的實施方式作了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下做出各種變化。