本發(fā)明屬于光纖領(lǐng)域,特別涉及一種nd3+/ho3+共摻實(shí)現(xiàn)2.0μm激光的碲酸鹽光纖及其制備方法。
背景技術(shù):
水分子在2.0μm波段附近有很強(qiáng)的中紅外吸收峰,因此,用該波段激光器進(jìn)行手術(shù)時,激光照射部位血液迅速凝結(jié),手術(shù)創(chuàng)面小,止血性好,并且該波段激光對人眼是安全的,所以2.0μm激光器在醫(yī)療和生物學(xué)研究方面有廣泛的應(yīng)用前景。由于覆蓋1.88μm、1.91μm和2.412μm這三個重要的分子吸收帶,2.0μm波段激光器在遙感和光通信也有著重要的應(yīng)用前景。2.0μm激光是激光測距機(jī)想干多普勒測風(fēng)雷達(dá)、水蒸氣拋面差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)等的理想光源,并且它還是獲得3~5μm、8~12μm波段光學(xué)參量振蕩器的理想抽運(yùn)源。因此,近年來2.0μm激光備受科研工作者的青睞。
到目前為止,科研工作者已經(jīng)在眾多玻璃基質(zhì)(石英玻璃、氟化物玻璃、鍺酸鹽玻璃和碲酸鹽玻璃)中實(shí)現(xiàn)了2.0μm激光輸出。與前三種玻璃基質(zhì)相比,碲酸鹽玻璃基質(zhì)具有一些優(yōu)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,這有利于增強(qiáng)2.0μm發(fā)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(dá)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(jié)構(gòu)以及稀土離子可以占據(jù)網(wǎng)絡(luò)修飾體的位置使其具有很強(qiáng)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(xué)穩(wěn)定性和寬松的制備環(huán)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(fā)射截面。
ho3+離子是一種重要的實(shí)現(xiàn)2.0μm激光的激活離子。它的激光上能級壽命長而且輸出波長要長于tm3+離子。不幸的是,它缺少與商用808nm或980nm半導(dǎo)體激光器激光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(qiáng)吸收帶的稀土離子(如yb3+、tm3+和er3+)來敏化ho3+離子,幫助其實(shí)現(xiàn)2.0μm激光。與tm3+離子相比,nd3+離子在808nm附近具有更強(qiáng)的吸收,而且能與808nm半導(dǎo)體激光器激光波長完美匹配。同時,它在900nm附近的熒光帶能與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(shí)現(xiàn)2.0μm激光的方式。
光纖性能好壞與光纖預(yù)制棒的質(zhì)量息息相關(guān)。管棒法是一種常用的制備多組份玻璃光纖預(yù)制棒的方法。制備過程中,需要對玻璃進(jìn)行切割、鉆孔等冷加工處理,因此對于機(jī)械強(qiáng)度不夠高的碲酸鹽光纖預(yù)制棒制備來說,無疑是一個非常巨大的挑戰(zhàn)。另外,管棒法制備光纖預(yù)制棒的周期很長,且需要消耗大量的原材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明目的在于提供一種nd3+/ho3+共摻實(shí)現(xiàn)2.0μm激光的碲酸鹽光纖及其制備方法,所述碲酸鹽光纖的制備方法避免了機(jī)械強(qiáng)度不夠高的碲酸鹽玻璃冷加工過程,縮短了光纖制備周期及大幅度地節(jié)約了原材料。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
一種nd3+/ho3+共摻實(shí)現(xiàn)2.0μm激光的碲酸鹽光纖,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(shí)現(xiàn)2.0μm激光的碲酸鹽光纖的制備方法,該方法包括:
(1)包層玻璃的熔制:按照權(quán)利要求1所述的組份及組份配比精確稱取各原料,混合均勻后,放入黃金坩堝中,然后將黃金坩堝放入硅碳棒電爐中,在溫度范圍800~900℃,將原料熔化,經(jīng)均化、澄清后,包層玻璃熔體在700~800℃準(zhǔn)備出爐;
(2)纖芯玻璃的熔制:按照權(quán)利要求1所述的組份及組份配比精確稱取各原料,混合均勻后,放入黃金坩堝中,然后將黃金坩堝放入硅碳棒電爐中,在溫度范圍800~900℃,將原料熔化,經(jīng)均化、澄清后,纖芯玻璃熔體在700~800℃準(zhǔn)備出爐;
(3)光纖預(yù)制棒制備:
①將步驟(1)制得的包層玻璃熔體,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(yù)熱至400~450℃;
②將步驟(2)制得的纖芯玻璃熔體,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后,以15℃/h的速率降至室溫,脫模處理后,便得到光纖預(yù)制棒;
(4)拉絲處理:將步驟(3)中得到光纖預(yù)制棒放入拉絲塔中,在600~700℃溫度條件下拉制光纖,最終制得所述光纖。
本發(fā)明的有益效果為:
(一)本發(fā)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(shí)現(xiàn)了2.0μm激光;
(二)本發(fā)明所述碲酸鹽光纖的制備方法避免了對碲酸鹽玻璃切割、鉆孔等冷加工過程,成功解決了管棒法制備預(yù)制棒周期長而且需要消耗大量原料的問題;并且所述碲酸鹽光纖的制備方法比較簡單,周期短且生產(chǎn)成本較低,具有很好的實(shí)用化前景。
附圖說明
圖1為nd3+/ho3+共摻碲酸鹽光纖預(yù)制棒制備過程示意圖。
具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果進(jìn)行清楚、完整地描述,以充分地理解本發(fā)明的目的、特征和效果。顯然,所描述的實(shí)施例只是本發(fā)明的一部分實(shí)施例,而不是全部實(shí)施例,基于本發(fā)明的實(shí)施例,本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的其他實(shí)施例,均屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
實(shí)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:按照上述組份配比并精確稱取各原料,混合均勻后,放入黃金坩堝中,然后將黃金坩堝放入硅碳棒電爐中,熔制溫度為850℃、熔制時間為2h條件下,將原料熔化,經(jīng)均化、澄清后,包層玻璃熔體的出料溫度為730℃;
(2)纖芯玻璃的熔制:按照上述組份配比并精確稱取各原料,混合均勻后,放入黃金坩堝中,然后將黃金坩堝放入硅碳棒電爐中,熔制溫度為850℃、熔制時間為2h條件下,將原料熔化,經(jīng)均化、澄清后,纖芯玻璃熔體的出料溫度為730℃;
(3)光纖預(yù)制棒制備:
①將步驟(1)制得的包層玻璃熔體,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(yù)熱至420℃;
②將步驟(2)制得的纖芯玻璃熔體,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后,以15℃/h的速率降至室溫,脫模處理后,便得到光纖預(yù)制棒;
(4)拉絲處理:將步驟(3)中得到光纖預(yù)制棒放入拉絲塔中,在650℃溫度條件下拉制光纖,最終制得所述光纖。所述光纖中能輸出2.0μm激光,激光閾值較高。
實(shí)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:按照上述組份配比并精確稱取各原料,混合均勻后,放入黃金坩堝中,然后將黃金坩堝放入硅碳棒電爐中,熔制溫度為880℃、熔制時間為2h條件下,將原料熔化,經(jīng)均化、澄清后,包層玻璃熔體的出料溫度為780℃;
(2)纖芯玻璃的熔制:按照上述組份配比并精確稱取各原料,混合均勻后,放入黃金坩堝中,然后將黃金坩堝放入硅碳棒電爐中,熔制溫度為880℃、熔制時間為2h條件下,將原料熔化,經(jīng)均化、澄清后,纖芯玻璃熔體的出料溫度為780℃;
(3)光纖預(yù)制棒制備:
①將步驟(1)制得的包層玻璃熔體,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(yù)熱至450℃;
②將步驟(2)制得的纖芯玻璃熔體,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后,以15℃/h的速率降至室溫,脫模處理后,便得到光纖預(yù)制棒;
(4)拉絲處理:將步驟(3)中得到光纖預(yù)制棒放入拉絲塔中,在680℃溫度條件下拉制光纖,最終制得所述光纖,光纖直徑為125μm,纖芯直徑為40μm,在5cm長的光纖中能輸出2.0μm激光,并且激光閾值僅為38mw。這一數(shù)值遠(yuǎn)低于瓦級激光閾值的石英光纖,有利于光纖激光器的小型化。
實(shí)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:按照上述組份配比并精確稱取各原料,混合均勻后,放入黃金坩堝中,然后將黃金坩堝放入硅碳棒電爐中,熔制溫度為820℃、熔制時間為2h條件下,將原料熔化,經(jīng)均化、澄清后,包層玻璃熔體的出料溫度為700℃;
(2)纖芯玻璃的熔制:按照上述組份配比并精確稱取各原料,混合均勻后,放入黃金坩堝中,然后將黃金坩堝放入硅碳棒電爐中,熔制溫度為820℃、熔制時間為2h條件下,將原料熔化,經(jīng)均化、澄清后,纖芯玻璃熔體的出料溫度為700℃;
(3)光纖預(yù)制棒制備:
①將步驟(1)制得的包層玻璃熔體,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(yù)熱至400℃;
②將步驟(2)制得的纖芯玻璃熔體,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后,以15℃/h的速率降至室溫,脫模處理后,便得到光纖預(yù)制棒;
(4)拉絲處理:將步驟(3)中得到光纖預(yù)制棒放入拉絲塔中,在620℃溫度條件下拉制光纖,最終制得所述光纖。所述光纖中能輸出2.0μm激光,激光閾值較高。
實(shí)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:按照上述組份配比并精確稱取各原料,混合均勻后,放入黃金坩堝中,然后將黃金坩堝放入硅碳棒電爐中,熔制溫度為850℃、熔制時間為2h條件下,將原料熔化,經(jīng)均化、澄清后,包層玻璃熔體的出料溫度為730℃;
(2)纖芯玻璃的熔制:按照上述組份配比并精確稱取各原料,混合均勻后,放入黃金坩堝中,然后將黃金坩堝放入硅碳棒電爐中,熔制溫度為850℃、熔制時間為2h條件下,將原料熔化,經(jīng)均化、澄清后,纖芯玻璃熔體的出料溫度為730℃;
(3)光纖預(yù)制棒制備:
①將步驟(1)制得的包層玻璃熔體,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(yù)熱至420℃;
②將步驟(2)制得的纖芯玻璃熔體,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后,以15℃/h的速率降至室溫,脫模處理后,便得到光纖預(yù)制棒;
(4)拉絲處理:將步驟(3)中得到光纖預(yù)制棒放入拉絲塔中,在650℃溫度條件下拉制光纖,最終制得所述光纖。所述光纖中能輸出2.0μm激光,激光閾值較高。