摻鐿氟磷-磷酸鹽異質(zhì)光纖預(yù)制棒玻璃及其制備方法
【專利摘要】一種摻鐿氟磷酸鹽-磷酸鹽異質(zhì)光纖預(yù)制棒玻璃及其制備方法。該預(yù)制棒由摻鐿氟磷玻璃為芯棒，磷酸鹽玻璃為包層。合理地選擇摻鐿氟磷芯棒玻璃的陽離子摩爾百分組成和磷酸鹽包層玻璃的陽離子摩爾百分組成。本發(fā)明降低了氟磷玻璃光纖預(yù)制棒的制備難度，提高預(yù)制棒質(zhì)量，可提高光纖質(zhì)量，降低光纖損耗。
【專利說明】摻鐿氟磷-磷酸鹽異質(zhì)光纖預(yù)制棒玻璃及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖預(yù)制棒玻璃，特別是一種摻鐿氟磷-磷酸鹽異質(zhì)光纖預(yù)制棒玻璃 及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 摻鐿單頻光纖具有窄線寬、相干長度長和噪聲小等優(yōu)勢，因此在遙感技術(shù)、天文 學(xué)、氣象觀測、工業(yè)、醫(yī)療以及軍事等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用而得到了廣泛關(guān)注和快速的發(fā) 展。最穩(wěn)定的單頻光纖激光是采用線性腔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)需要縮短增益光纖長度來增大激光 縱模間隔，從而實現(xiàn)單頻激光輸出，這種超短線性腔也是實現(xiàn)單頻激光輸出的最簡單和最 穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。雖然石英光纖仍是主要的摻鐿單頻光纖材料，但由于石英玻璃對稀土離子溶 解度低，因此所需光纖長度一般為十米以上，激光輸出功率最大僅為數(shù)十毫瓦，雖然通過放 大技術(shù)可以使激光的輸出功率達到瓦級，但整個腔長達十幾米，線寬寬，且激光強度噪聲和 相位噪聲很高，限制了其在相干技術(shù)上的應(yīng)用。為了解決穩(wěn)定單頻輸出和光纖長度之間的 矛盾，一些高稀土摻雜和高壽命高增益的特種玻璃光纖受到了重視。其中磷酸鹽玻璃無疑 是一種十分理想而廉價的單頻激光光纖，可以用短至一兩個厘米的光纖實現(xiàn)百毫瓦量級的 穩(wěn)頻單模激光輸出。由于磷酸鹽玻璃光纖具有高Yb 3+摻雜濃度、高熒光壽命及高發(fā)射截面 的優(yōu)勢，近幾年來，摻鐿磷酸鹽單頻光纖在超短線性腔輸出上取得了重要的進展，成為非常 有應(yīng)用前景的摻鐿單頻激光光纖。然而實驗發(fā)現(xiàn)，摻鐿磷酸鹽玻璃塊體即便是在低溫條件 下也很難實現(xiàn)激光輸出，而摻鐿氟磷玻璃卻可以很容易的實現(xiàn)塊體瓦級的激光輸出，據(jù)此 推斷，摻鐿氟磷玻璃單頻光纖的輸出功率應(yīng)該明顯優(yōu)于摻鐿磷酸鹽單頻光纖。但是氟磷玻 璃光纖制備中有一些不可避免的難點，比如預(yù)制棒打孔難拋光難，光纖拉制時易出現(xiàn)表面 結(jié)塊和揮發(fā)問題，造成光纖質(zhì)量下降，損耗增大等缺點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了降低氟磷光纖預(yù)制棒加工難度，改善氟磷玻璃光纖拉制時光 纖表面易揮發(fā)和拉絲易結(jié)塊的缺點，提供一種摻鐿氟磷-磷酸鹽異質(zhì)光纖預(yù)制棒玻璃及其 制備方法。該摻鐿氟磷玻璃和磷酸鹽玻璃的組分，使它們在轉(zhuǎn)變溫度、軟化點及膨脹系數(shù)上 相匹配，可以將磷酸鹽玻璃作為氟磷玻璃光纖的包層來使用，從而降低氟磷玻璃光纖預(yù)制 棒的制備難度，提高預(yù)制棒質(zhì)量，進而提高光纖質(zhì)量，降低光纖損耗。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0005] -種摻鐿氟磷-磷酸鹽異質(zhì)光纖預(yù)制棒玻璃，其特點在于該玻璃包括摻鐿氟磷芯 棒玻璃和磷酸鹽包層玻璃，所述的摻鐿氟磷芯棒玻璃的陽離子摩爾百分比組成為：
[0006] P5+: 26. 0 ?33. Omol %,
[0007] Al3+: 6. 8 ?19. Omol %,
[0008] Mg2+: 3· 3 ?10. Omol %,
[0009] Ca2+:4. 3 ~ 19. 8mol%,
[0010] Sr2+:6. 0 ?15. 9mol%，
[0011] Ba2+:6. 5 ?24. Omol%，
[0012] Li+:0 ?3. Omol%，
[0013] Ga+:0 ?12. Omol%，
[0014] Yb3+: 3. Omol % ；
[0015] 所述的磷酸鹽包層玻璃的陽離子摩爾百分比組成為：
[0016] P5+: 60. 0 ?67. Omol %,
[0017] A13.: 4. 3 ?14. 6mol %,
[0018] Mg2+:0 ?10mol%,
[0019] Ba2+:0 ?8. lmol%，
[0020] Κ+:12· 3 ?21. 2mol%，
[0021] La+:0 ?3. lmol%,
[0022] Y3+:0 ?6. 4mol%。
[0023] 所述的摻鐿氟磷芯棒玻璃的制備方法，其特點在于該方法包括下列步驟：
[0024] 1)配料：以 Al(P03)3，Ba(P03)3，Ga 203，MgF2，CaF2，SrF2，BaF 2，LiF，CaC03，BaC03，YbF3 作為原料，按權(quán)利要求1中摻鐿氟磷芯棒玻璃的玻璃組成選定所述的陽離子的摩爾百分比 并選定引入離子的原料，稱取一定重量的玻璃原料，充分?jǐn)嚢杈鶆蛐纬刹Ａ浜狭希?br> [0025] 2)熔制玻璃：首先將所述的玻璃配合料裝入白金坩禍，置于1050?1KKTC熔爐中 熔融，期間采取不斷加料的方式，在1小時內(nèi)熔融1. 〇公斤配合料；完全熔化的玻璃液需在 1050?1KKTC澄清1小時，再勻速降溫至750?800°C攪拌5小時，葉槳轉(zhuǎn)速為60?70r/ min，后勻速降溫至730°C?750°C保溫40分鐘后，在預(yù)熱的鑄鐵模具上澆注成較大尺寸玻 璃塊體；
[0026] 3)玻璃退火：將所澆注的玻璃放入已升溫至該玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg)的馬弗爐中，保 溫4小時，以1. 5°C /小時的速度退火至200°C，再以10°C /小時的速度退火至50°C后，關(guān) 閉馬弗爐，降溫至室溫。
[0027] 所述的磷酸鹽包層玻璃的制備方法，其特點在于該方法包括下列步驟：
[0028] 1)配料：以 KH2P04, Mg (Η2Ρ04) 2, Ba (Η2Ρ04) 2, Sr (Η2Ρ04) 2,，Α1 (Η2Ρ04) 3, P205, La203, Y203 作為原料，按權(quán)利要求1中所述的磷酸鹽包層玻璃的組成選定所述的陽離子的摩爾百分比 并選定引入離子的原料，稱取一定重量的玻璃原料，充分?jǐn)嚢杈鶆蛐纬刹Ａ浜狭希?br> [0029] 2)熔制玻璃：首先將1. 5公斤玻璃配合料在石英坩堝中于1200°C下熔制成熟料， 之后轉(zhuǎn)移到白金坩堝中在1200?1250°C下澄清1小時，再勻速降溫至1050?1KKTC下攪 拌5小時，葉槳轉(zhuǎn)速為90r/min，后勻速降溫至1000°C?1050°C保溫40分鐘后，在預(yù)熱的鑄 鐵模具上澆注成較大尺寸玻璃塊體；
[0030] 3)玻璃退火：將所澆注的玻璃放入已升溫至該玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg)的馬弗爐中，保 溫4小時，以2°C /小時的速度退火至200°C，再以10°C /小時的速度退火至50°C后，關(guān)閉 馬弗爐，降溫至室溫。
[0031] 本發(fā)明的有益效果為：
[0032] 有益的結(jié)合了摻鐿氟磷玻璃較高激光輸出和磷酸鹽玻璃具有優(yōu)秀加工及拉絲性 能的優(yōu)點，解決了氟磷玻璃光纖預(yù)制棒難加工，難拉絲的缺點，降低了預(yù)制棒加工難度，提 高了預(yù)制棒制備質(zhì)量，進而可以顯著提高氟磷玻璃光纖的拉絲質(zhì)量并降低光纖損耗。預(yù)制 棒加工過程證實，磷酸鹽包層玻璃鉆孔和孔拋光的難度及質(zhì)量顯著優(yōu)于氟磷酸鹽包層玻 璃。于軟化點附近進行真空縮棒實驗，結(jié)果表明，氟磷玻璃稍大的膨脹剛好彌補了芯棒和磷 酸鹽玻璃管之間的空隙，更有助于棒、管之間空氣的排除，使氟磷玻璃芯棒和磷酸鹽玻璃管 可以達到很好的結(jié)合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 圖1是摻鐿氟磷芯棒玻璃的熱膨脹曲線
[0034] 圖2是磷酸鹽包層玻璃的熱膨脹曲線

【具體實施方式】
[0035] 以下結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步闡述。
[0036] 表1為本發(fā)明摻鐿氟磷芯玻璃的5個實施例玻璃的陽離子摩爾百分組成；表2為 表1摻鐿氟磷芯棒玻璃對應(yīng)的包層磷酸鹽玻璃的陽離子摩爾百分組成，各表中列出了相 應(yīng)玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和熱膨脹系數(shù)。
[0037] 表1摻鐿氟磷芯棒玻璃實施例的陽離子摩爾組成
[0038]

【權(quán)利要求】
1. 一種摻鐿氟磷-磷酸鹽異質(zhì)光纖預(yù)制棒玻璃，其特征在于該玻璃包括摻鐿氟磷芯棒 玻璃和磷酸鹽包層玻璃，所述的摻鐿氟磷芯棒玻璃的陽離子摩爾百分比組成為： P5+:26. 0 ~ 33. Omol%, Α13+:6· 8 ?19. Omol%, Mg2+:3. 3 ~ 10. Omol%, Ca2+:4. 3 ~ 19. 8mol%, Sr2+:6. 0 ~ 15. 9mol%, Ba2+: 6. 5 ?24. Omol %, Li+: 0 ~ 3. Omol %, Ga+: 0 ~ 12. Omol %, Yb3+: 3. Omol % ； 所述的磷酸鹽包層玻璃的陽離子摩爾百分比組成為： P5+:60. 0 ~ 67. Omol%, Α13+:4· 3 ?14. θπιο?1%, Mg2+:0 ~ lOmol%, Ba2+: 0 ~ 8. lmol %, Κ+:12· 3 ?21. 2mol%， La+: 0 ~ 3. lmol %, Y3+: 0 ?6. 4mol %。
2. 權(quán)利要求1所述的摻鐿氟磷芯棒玻璃的制備方法，其特征在于該方法包括下列步 驟： 1) 配料：以 A1 (P03)3, Ba(P03)3, Ga203, MgF2, CaF2, SrF2, BaF2, LiF，CaC03, BaC03, YbF3 作 為原料，按權(quán)利要求1中摻鐿氟磷芯棒玻璃的玻璃組成選定所述的陽離子的摩爾百分比并 選定引入離子的原料，稱取一定重量的玻璃原料，充分?jǐn)嚢杈鶆蛐纬刹Ａ浜狭希? 2) 熔制玻璃：首先將所述的玻璃配合料裝入白金坩堝，置于1050?1KKTC熔爐中熔 融，期間采取不斷加料的方式，在1小時內(nèi)熔融1.0公斤配合料；完全熔化的玻璃液需在 1050?1KKTC澄清1小時，再勻速降溫至750?800°C攪拌5小時，葉槳轉(zhuǎn)速為60?70r/ min，后勻速降溫至730°C?750°C保溫40分鐘后，在預(yù)熱的鑄鐵模具上澆注成較大尺寸玻 璃塊體； 3) 玻璃退火：將所澆注的玻璃放入已升溫至該玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg)的馬弗爐中，保溫4 小時，以1.5°C /小時的速度退火至200°C，再以10°C /小時的速度退火至50°C后，關(guān)閉馬 弗爐，降溫至室溫。
3. 權(quán)利要求1所述的磷酸鹽包層玻璃的制備方法，其特征在于該方法包括下列步驟： 1) 配料：以 KH2P04, Mg(H2P04)2, Ba(H2P04)2, Sr(H2P04)2,，A1 (H2P04)3, P205, L4 為原料，按權(quán)利要求1中所述的磷酸鹽包層玻璃的組成選定所述的陽離子的摩爾百分比并 選定引入離子的原料，稱取一定重量的玻璃原料，充分?jǐn)嚢杈鶆蛐纬刹Ａ浜狭希? 2) 熔制玻璃：首先將1. 5公斤玻璃配合料在石英坩堝中于1200°C下熔制成熟料，之后 轉(zhuǎn)移到白金坩堝中在1200?1250°C下澄清1小時，再勻速降溫至1050?1KKTC下攪拌5 小時，葉槳轉(zhuǎn)速為90r/min，后勻速降溫至1000°C?1050°C保溫40分鐘后，在預(yù)熱的鑄鐵模 具上澆注成較大尺寸玻璃塊體； 3)玻璃退火：將所澆注的玻璃放入已升溫至該玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg)的馬弗爐中，保溫4 小時，以2°C /小時的速度退火至200°C，再以10°C /小時的速度退火至50°C后，關(guān)閉馬弗 爐，降溫至室溫。
【文檔編號】C03C13/04GK104058596SQ201410290239
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】張麗艷, 楊斌華, 胡麗麗 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所