本發(fā)明涉及一種稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖及制造方法，屬于玻璃光纖制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

對(duì)于微晶玻璃的研究已比較成熟，國(guó)內(nèi)外已成功制備出各種各樣的氟化物微晶玻璃，然而對(duì)于稀土摻雜的微納米晶玻璃光纖的研究卻進(jìn)展緩慢。主要的原因在于微晶玻璃在拉制成光纖的過(guò)程中，玻璃中的微納米晶體會(huì)進(jìn)一步長(zhǎng)大，使得光纖的散射損耗劇增。2001年，康寧公司的B.N.Samson等人采用雙坩堝法制備出含有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(shí)現(xiàn)了1.064μm光纖激光輸出，斜率效率達(dá)到28％。2002年，該團(tuán)隊(duì)采用管棒法制備出Ni摻雜的硅酸鹽微晶玻璃光纖，通過(guò)后續(xù)的熱處理在光纖纖芯中析出MgAl₂O₄晶體，使得光纖在1100-1300nm范圍內(nèi)的增益得到增強(qiáng)。由于玻璃析出微晶過(guò)程中由于晶體的析出會(huì)造成玻璃體積的微小變化，導(dǎo)致光纖纖芯與界面之間結(jié)合處出現(xiàn)缺陷，從而使光纖的損耗增加。2011年，法國(guó)的W.Blanc等采用MCVD的方法，制備出Er³⁺摻雜納米晶玻璃為纖芯石英玻璃為包層的復(fù)合光纖材料,通過(guò)微晶化，Er³⁺的近紅外增益帶寬得到展寬。然而，MCVD的方法只適用于單組分的玻璃光纖的制備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種采用全新成分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效提高光信號(hào)傳輸效率的稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖。

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：本發(fā)明設(shè)計(jì)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；纖芯采用稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃材料制成，套管采用石英玻璃材料制成。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述制成纖芯的稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃材料中包括硅酸鹽玻璃材料、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(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述制成套管的石英玻璃材料為高純石英玻璃材料。

本發(fā)明所述一種稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明所設(shè)計(jì)的稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖，采用石英玻璃作為套管，通過(guò)采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(fā)光效率，并且采用石英玻璃作為包層材料，可以避免在微晶玻璃拉制過(guò)程中纖芯中的微納米晶體二次長(zhǎng)大，并且在熱處理過(guò)程中，由于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(jìn)行熱處理時(shí)，套管材料中并不析出晶體，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，而套管材料由于并未析晶，透過(guò)率就不會(huì)因?yàn)槲鼍Ф鴮?dǎo)致?lián)p耗增加，進(jìn)而有效提高了所設(shè)計(jì)微晶玻璃光纖的光信號(hào)傳輸效率。

與上述技術(shù)方案相對(duì)應(yīng)，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是還提供一種采用全新架構(gòu)設(shè)計(jì)，步驟邏輯清晰，能夠有效提高生產(chǎn)效率的針對(duì)稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖的制造方法。

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖的制造方法，包括如下步驟：

步驟001.根據(jù)預(yù)設(shè)成分組成，獲得稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃，并進(jìn)入步驟002；

步驟002.采用稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃，制成預(yù)設(shè)尺寸的纖芯細(xì)棒，并進(jìn)入步驟003；

步驟003.采用石英玻璃制成套管，且套管的孔徑與纖芯細(xì)棒的外徑相適應(yīng)，并進(jìn)入步驟004；

步驟004.針對(duì)纖芯細(xì)棒和套管進(jìn)行清洗預(yù)處理，接著將套管套設(shè)在纖芯細(xì)棒的外層，并針對(duì)套管內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理，再針對(duì)套管進(jìn)行密封，獲得光纖預(yù)制棒，然后進(jìn)入步驟005；

步驟005.在所述制成套管的石英玻璃材料的軟化溫度下，根據(jù)預(yù)設(shè)拉絲速度、預(yù)設(shè)所獲光纖尺寸針對(duì)光纖預(yù)制棒進(jìn)行拉絲操作，獲得光纖，然后進(jìn)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(duì)光纖進(jìn)行熱處理，控制稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃所制成的纖芯進(jìn)行析晶處理，最終獲得光纖。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述步驟001中，針對(duì)預(yù)設(shè)的組成成分，依次經(jīng)過(guò)稱料、混合、融制、攪拌、澄清、成型、退火各個(gè)操作，獲得稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述步驟001中，針對(duì)預(yù)設(shè)的組成成分，所述融制的溫度為1300℃-1500℃，融制時(shí)間為30分鐘-2小時(shí)，采用石英攪拌杠進(jìn)行攪拌，且攪拌的速度為5r/min-60r/min。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述步驟002中，針對(duì)稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃，依次經(jīng)過(guò)切割、粗磨、粗拋光、精拋光，制成預(yù)設(shè)尺寸的纖芯細(xì)棒。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述步驟004，針對(duì)纖芯細(xì)棒和套管，采用酒精浸泡進(jìn)行清洗，實(shí)現(xiàn)預(yù)處理操作。

本發(fā)明所述一種稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖采用的制造方法，采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明所設(shè)計(jì)的稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖的制造方法，基于纖芯和套管分別采用不同材料的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)微晶玻璃光纖的具體制造方法，整個(gè)架構(gòu)邏輯清晰，根據(jù)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(guò)程中纖芯中的微納米晶體二次長(zhǎng)大，另一方面在熱處理過(guò)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(jìn)行熱處理時(shí)，套管材料中并不析出晶體，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，而套管材料由于并未析晶，透過(guò)率就不會(huì)因?yàn)槲鼍Ф鴮?dǎo)致?lián)p耗增加，進(jìn)而有效提高了所設(shè)計(jì)微晶玻璃光纖的光信號(hào)傳輸效率，因此，整個(gè)設(shè)計(jì)制造方法步驟方便快捷，大大提高了生產(chǎn)工作效率。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所設(shè)計(jì)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(fā)明實(shí)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(fā)明實(shí)施例中微晶玻璃光纖熱處理前后的X射線衍射曲線示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中纖芯的熒光光譜示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中纖芯熒光衰減曲線示意圖。

其中，1.套管，2.纖芯。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

采用氟氧化物微晶玻璃作為稀土摻雜的增益光纖基質(zhì)材料具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)；一方面，氟氧化物玻璃在～3μm處具有較高的透過(guò)率，且其機(jī)械強(qiáng)度及物理化學(xué)性能相比于氟化物玻璃都更優(yōu)。另一方面，當(dāng)稀土離子富集于氟化物微納米晶體格位中時(shí)，由于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(wú)輻射躍遷概率，增強(qiáng)其發(fā)光效率。此外，光纖的散射損耗與微納米晶體的尺寸成正比，與激光運(yùn)行波長(zhǎng)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，而光纖的激光運(yùn)行波長(zhǎng)在較長(zhǎng)的～3μm處，因此，由微納米晶體產(chǎn)生的散射損耗可忽略不計(jì)。采用稀土摻雜的氟氧化物微晶玻璃作為光纖纖芯，制備在～3μm具有高增益、低損耗的微晶玻璃光纖，對(duì)發(fā)展高效率、高功率～3μm光纖激光器具有重大的意義。

如圖1所示，本發(fā)明所設(shè)計(jì)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；纖芯采用稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃材料制成，套管采用石英玻璃材料制成；其中，制成纖芯的稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃材料中包括硅酸鹽玻璃材料、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；制成套管的石英玻璃材料為高純石英玻璃材料。上述技術(shù)方案所設(shè)計(jì)的稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖，采用石英玻璃作為套管，通過(guò)采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(fā)光效率，并且采用石英玻璃作為包層材料，可以避免在微晶玻璃拉制過(guò)程中纖芯中的微納米晶體二次長(zhǎng)大，并且在熱處理過(guò)程中，由于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(jìn)行熱處理時(shí)，套管材料中并不析出晶體，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，而套管材料由于并未析晶，透過(guò)率就不會(huì)因?yàn)槲鼍Ф鴮?dǎo)致?lián)p耗增加，進(jìn)而有效提高了所設(shè)計(jì)微晶玻璃光纖的光信號(hào)傳輸效率。

本發(fā)明針對(duì)所設(shè)計(jì)稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)了稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖的制造方法，具體包括如下步驟：

步驟001.針對(duì)預(yù)設(shè)的組成成分，依次經(jīng)過(guò)稱料、混合、融制、攪拌、澄清、成型、退火各個(gè)操作，獲得稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃，并進(jìn)入步驟002；其中，融制的溫度為1300℃-1500℃，融制時(shí)間為30分鐘-2小時(shí)，采用石英攪拌杠進(jìn)行攪拌，且攪拌的速度為5r/min-60r/min。

步驟002.采用稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃，依次經(jīng)過(guò)切割、粗磨、粗拋光、精拋光，制成預(yù)設(shè)尺寸的纖芯細(xì)棒，并進(jìn)入步驟003。

步驟003.采用石英玻璃制成套管，且套管的孔徑與纖芯細(xì)棒的外徑相適應(yīng)，并進(jìn)入步驟004。

步驟004.針對(duì)纖芯細(xì)棒和套管，采用酒精浸泡進(jìn)行清洗，實(shí)現(xiàn)預(yù)處理操作，接著將套管套設(shè)在纖芯細(xì)棒的外層，并針對(duì)套管內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理，再針對(duì)套管進(jìn)行密封，獲得光纖預(yù)制棒，然后進(jìn)入步驟005。

步驟005.在所述制成套管的石英玻璃材料的軟化溫度下，根據(jù)預(yù)設(shè)拉絲速度、預(yù)設(shè)所獲光纖尺寸針對(duì)光纖預(yù)制棒進(jìn)行拉絲操作，獲得光纖，然后進(jìn)入步驟006。

上述步驟005中，將光纖預(yù)制棒放置于拉絲爐中，將拉絲爐的溫度升溫達(dá)到1200～1900℃，即在所述制成套管的石英玻璃材料的軟化溫度下針對(duì)光纖預(yù)制棒進(jìn)行拉絲，其中，控制拉絲的速度為10～100r/min、通過(guò)控制拉絲機(jī)上面下料器的下降速度，使得光纖預(yù)制棒的加入速度為1～20mm/min進(jìn)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(duì)光纖進(jìn)行熱處理，控制稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃所制成的纖芯進(jìn)行析晶處理，最終獲得光纖。

基于上述本發(fā)明所設(shè)計(jì)一種稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖及制造方法，進(jìn)行具體實(shí)施例研究，

步驟001.選取鉺摻雜氟硅酸鹽玻璃作為纖芯材料，其組成為45SiO₂-20Al₂O₃-10CaO-25CaF₂-2ErF₃(mol％)，該鉺摻雜氟硅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(zhuǎn)變溫度T_g為640℃，析晶開始溫度T_p1為760℃左右，該鉺摻雜氟硅酸鹽玻璃的軟化溫度為850℃左右，針對(duì)該鉺摻雜氟硅酸鹽玻璃，按組成稱取原料，在1550℃下保溫2h，將玻璃液倒到預(yù)熱到500℃的模具上面形成稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃，然后將玻璃放到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(yīng)力，接著進(jìn)入步驟002；

步驟002.將稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃放機(jī)床上面加工成圓柱體，半徑為1.5mm，長(zhǎng)度為8mm，再經(jīng)過(guò)粗拋光、精拋光，制成預(yù)設(shè)尺寸的纖芯細(xì)棒，接著將纖芯細(xì)棒在拉絲塔上面進(jìn)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(xì)棒，然后進(jìn)入步驟003。

步驟003.選取高純石英玻璃材料制成套管，套管的外徑為12.5mm，內(nèi)經(jīng)為1mm，并進(jìn)入步驟004。

步驟004.針對(duì)纖芯細(xì)棒和套管，采用酒精浸泡進(jìn)行清洗，實(shí)現(xiàn)預(yù)處理操作，接著將套管套設(shè)在纖芯細(xì)棒的外層，并針對(duì)套管內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理，再針對(duì)套管進(jìn)行密封，獲得光纖預(yù)制棒，然后進(jìn)入步驟005。

步驟005.將光纖預(yù)制棒放置于拉絲爐中，將拉絲爐的溫度升溫達(dá)到2000℃，即在所述制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(duì)光纖預(yù)制棒進(jìn)行拉絲，獲得光纖，然后進(jìn)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(duì)光纖進(jìn)行熱處理2小時(shí)，控制稀土摻雜氟氧化物微晶玻璃所制成的纖芯進(jìn)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后的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，纖芯的熒光光譜，如圖4所示，纖芯熒光衰減曲線，如圖5所示。

上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。