過渡金屬離子摻雜的微晶玻璃光纖的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及過渡金屬離子摻雜的玻璃光纖的制備方法，特別涉及一種過渡金屬離子摻雜的微晶玻璃光纖的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近十年以來，可調(diào)諧固體激光器發(fā)展迅速，倍受關(guān)注。與染料可調(diào)諧激光器相比，可調(diào)諧固體激光器具有無可比擬的優(yōu)越性，如可調(diào)諧的波長范圍更寬，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便，無流動部分，穩(wěn)定性好，工作壽命長，易于處理等，使其更適合于航天、遙感、測距、雷達及光通訊等方面的應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)的固體激光器，光纖激光器具有散熱性能好、兼容性好、體積小、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，已經(jīng)發(fā)展成為新一代固體激光器。目前寬帶可調(diào)諧光纖激光器的研宄仍未取得很大的進展。稀土摻雜光纖激光器，通過改變基質(zhì)及稀土離子的共摻，在一定程度上也可以增加增益頻譜范圍，但是由于稀土離子本身f_f躍迀導致的窄線寬發(fā)光特征的限制，很難獲得所期待的超寬帶光纖激光器。而基于Raman效應(yīng)的Raman光纖激光，只要選擇適當波長的泵浦源，理論上可實現(xiàn)任意波長的光放大，但是需要很高的抽運功率，另外，系統(tǒng)的復(fù)雜化和需要更多波長的泵浦源使上述的設(shè)想難以實現(xiàn)。過渡金屬離子具有d-d軌道允許躍迀，其寬帶發(fā)光半波寬可達數(shù)百納米，是實現(xiàn)寬帶可調(diào)諧發(fā)光的較好選擇。但是過渡金屬離子的發(fā)光對環(huán)境很敏感，在玻璃結(jié)構(gòu)中，由于晶體場較弱，非輻射躍迀較強，導致其光增益很小。如果在光纖中析出過渡金屬離子摻雜的納米微晶，在較強晶體場作用下，過渡金屬離子的發(fā)光顯著增強。而且當納米微晶的粒度尺寸在發(fā)光波長的1/20以下時，由微晶顆粒所造成的散射可忽略不計。因此，過渡金屬離子摻雜的微晶玻璃光纖對于實現(xiàn)寬帶可調(diào)諧激光是一個很好的選擇。
[0003]到目前為止，許多關(guān)于微晶玻璃光纖制備的研宄相繼被報道。這些報道中，一些是采用管棒法進行光纖制備，然后在對光纖進行熱處理得到微晶玻璃光纖。這種方法可控性較差，拉絲溫度在析晶溫度之上，光纖拉制時會發(fā)生異常析晶。另外一些是采用雙坩禍法制備光纖，即是在玻璃軟化、熔融態(tài)時用兩個特制坩禍將纖芯和包層分別引下成光纖，然后再熱處理得到微晶玻璃光纖。這種方法雖然一定程度避免了拉絲時的異常析晶，但是對設(shè)備要求較高，工藝非常復(fù)雜，而且纖芯和包層之間易產(chǎn)生間隙。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種過渡金屬離子摻雜的微晶玻璃光纖的制備方法，工藝簡單，可控性強，避免了光纖拉制時的異常析晶，制備出的微晶玻璃光纖透光性能良好，具有較強的寬帶發(fā)光，為光纖中實現(xiàn)寬帶可調(diào)諧發(fā)光開辟了新的途徑。
[0005]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0006]過渡金屬離子摻雜的微晶玻璃光纖的制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)制備過渡金屬離子摻雜的纖芯玻璃，并在纖芯玻璃成型后立即進行退火處理；
[0008](2)選取包層管:選取拉絲溫度高于纖芯玻璃熔融溫度的中通式玻璃管作為包層管；
[0009](3)將步驟(I)處理后的纖芯玻璃加工成圓柱形玻璃細棒，拋光使表面呈鏡面；再將洗凈的纖芯玻璃細棒插入包層管中，包層管底部用包層用玻璃封牢，制成預(yù)制棒；
[0010](4)將預(yù)制棒放入拉絲塔內(nèi)，升溫至包層管的拉絲溫度附近，此時纖芯玻璃處于熔化狀態(tài)，拉制光纖；
[0011](5)將光纖裝入干凈的石英管內(nèi)，放在退火爐中進行退火，直到纖芯中均勻析出納米微晶。
[0012]所述過渡金屬離子為Cr3+、Ni2+、Cr4+、Co2+、Mn2+、Mn4+中的任意一種。
[0013]所述過渡金屬離子摻雜的纖芯玻璃為過渡金屬離子摻雜的多組分玻璃。
[0014]所述包層管為高純石英管、摻鍺石英管、鍺酸鹽玻璃管、硅酸鹽玻璃管中任意一種。
[0015]所述過渡金屬離子摻雜的硅酸鹽玻璃的組分摩爾百分比如下:
[0016]Al2O3:15 ?30%
[0017]ZnO: 15 ?30%
[0018]Ti02:5 ?10%
[0019]Cr203:0.05 ?0.15%
[0020]余量為S12。
[0021]所述過渡金屬離子摻雜的硅酸鹽玻璃的組分摩爾百分比如下:
[0022]Al2O3:5 ?15%
[0023]Ga2O3:10 ?25%
[0024]Li2O:5 ?15%
[0025]N1:0.05 ?0.2%
[0026]余量為S12。
[0027]所述過渡金屬離子摻雜的硅酸鹽玻璃的組分摩爾百分比如下:
[0028]Li20:15 ?30%
[0029]ZnO: 10 ?20%
[0030]Al2O3:3 ?13%
[0031]K2O:1 ?10%
[0032]P2O5:0.5 ?5%
[0033]Cr2O3:0.05 ?0.15%
[0034]余量為S12。
[0035]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0036](I)本發(fā)明采用高軟化點玻璃作為包層管，拉絲時纖芯玻璃處于熔融態(tài)，包層管處于軟化狀態(tài)，二者緊密接觸一起拉制成光纖。然后再通過熱處理制備微晶玻璃光纖。這種方法工藝簡單，可控性強，避免了光纖拉制時的異常析晶，用于制備過渡金屬摻雜微晶玻璃光纖極具潛力和前景。
[0037](2)采用本發(fā)明方法制備的過渡金屬離子摻雜光纖透光性良好，無異常析晶。經(jīng)過適當熱處理后得到微晶玻璃光纖，透光性能仍然較好，且具有較強的寬帶發(fā)光，并檢測到光放大。本發(fā)明的方法制備的微晶玻璃光纖有望實現(xiàn)光纖中寬帶光增益，適用于寬帶可調(diào)諧光纖放大器、激光器上。
【附圖說明】
[0038]圖1為本發(fā)明的實施例1中光纖端面的掃描電鏡圖。
[0039]圖2為本發(fā)明實施例1中光纖不同位置以及熱處理前后的拉曼譜圖。
[0040]圖3為本發(fā)明實施例1中光纖熱處理前后的熒光光譜圖。
【具體實施方式】
[0041]下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0042]實施例1
[0043]1、纖芯玻璃的制備:
[0044](I)纖芯玻璃采用如下配方:組分摩爾百分比
[0045]Al2O3:30%
[0046]ZnO: 15%
[0047]T12:5%
[0048]Cr2O3:0.1%
[0049]余量為S12;
[0050](2)按組分配方稱取高純粉末狀原料150g，在瑪瑙研缽中充分混合均勻。
[0051](3)將混合均勻的物料倒入200ml剛玉坩禍中，加上蓋子，放入高溫電爐中，緩慢升溫至1650°C保溫lh，然后放入攪拌桿，慢速攪拌(10轉(zhuǎn)每分鐘)30min，再保溫lh，出料，成型為四方長條狀玻璃樣品。
[0052](4)將玻璃立刻放入退火爐中于650°C保溫2h，消除部分應(yīng)力。
[0053]2、選取包層管:
[0054]包層管采用Heraeus公司生產(chǎn)的F300高純石英管。內(nèi)徑3.1mm，外徑25mm，長度為200mm，內(nèi)外表面拋光呈鏡面。
[0055]3、預(yù)制棒制備
[0056](I)將制備好的纖芯玻璃在機床上冷加工成直徑3mm，長50mm的圓柱細棒，拋光使表面呈鏡面，并將端面磨平以減少空隙氣泡。
[0057](2)用鹽酸、無水酒精等將纖芯玻璃細棒以及包層管清洗干凈。
[0058](3)將玻璃細棒插入包層管中，下部用直徑2.7-3.3mm的端面磨平的錐形石英玻璃細棒塞緊封住，制成預(yù)制棒。
[0059]4、光纖拉制
[0060]將預(yù)制棒放入拉絲塔內(nèi)，緩慢升溫，使拉絲爐溫度升到高純石英管的拉絲溫度附近，保溫15min。通過調(diào)整拉絲的速度和預(yù)制棒下料速度，拉制出不同尺寸的光纖。
[0061]5、光纖熱處理:將光纖裝入干凈的石英管內(nèi)，放在退火爐中，在850°C保溫I小時，制備出透光性能較好，發(fā)光較強的微晶玻璃光纖。
[0062]6、對已制備好的光纖進行表征，所制備的Cr3+摻雜光纖透光性能良好，無異常析晶，柔韌性良好，適當熱處理后光纖仍然透明。圖1為本實施例的光纖端面掃描電鏡圖，從圖中可以看出纖芯與包層界面清晰，并無明顯擴散現(xiàn)象。圖2為本實施例的光纖不同位置以及熱處理前后的拉曼譜圖，從圖中可以看出，只有在熱處理后的纖芯中出現(xiàn)ZnAl2O4晶體的特征拉曼峰。這就說明經(jīng)過適當熱處理光纖的纖芯中析出了 ZnAl2O4納米微晶。圖3為本實施例中光纖熱處理前后的熒光光譜圖，從圖中可以看出，熱處理后光纖中探測到較強的寬帶近紅外(650-800nm)發(fā)光。進一步實驗，在Cr3+摻雜微晶玻璃光纖中實現(xiàn)光放大。
[0063]實施例2
[0064]1、纖芯玻璃的制備:
[0065](I)纖芯玻璃采用如下配方:組分摩爾百分比
[0066]Al2O3:5%
[0067]Ga