[發(fā)明專利]用于高功率光纖激光器的磷酸鹽硅酸鹽全玻璃混雜光纖

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410224165.7
• 申請(qǐng)日: 2014-05-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103964696B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史偉;姚治東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東海富光子科技股份有限公司
• 主分類號(hào): C03C13/04
• 分類號(hào): C03C13/04
• 代理公司: 威海科星專利事務(wù)所37202
• 代理人: 于濤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于高功率光纖激光器的玻璃基質(zhì)，特別是一種使用稀土摻雜的磷酸鹽玻璃作為光纖纖芯基質(zhì)，硅酸鹽玻璃作為光纖包層基質(zhì)，屬于光纖及激光技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

光纖激光器是以摻雜稀土元素的光纖為增益介質(zhì)的激光器，通過(guò)摻雜不同的稀土元素，如餌（Er），鐿（Yb），銩（Tm），鈥（Ho），釹（Nd）等，光纖激光器的工作波段覆蓋了從紫外到中紅外。與其他激光器相比，光纖激光器具有激光工作閾值低，能量轉(zhuǎn)化率高、輸出光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定、無(wú)需光路調(diào)整、散熱性能好、壽命長(zhǎng)和無(wú)需維護(hù)等鮮明特點(diǎn)，因此得到快速發(fā)展以及廣泛地應(yīng)用。

商用的石英光纖，目前已經(jīng)能輸出很高的功率。它的內(nèi)部主要由三層結(jié)構(gòu)組成，中央是纖芯，它與內(nèi)包層之間的數(shù)值孔徑相差不大，所以，纖芯組成的稍微變動(dòng)，譬如去掉纖芯組成中稀土元素，內(nèi)包層的玻璃組成就能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但是內(nèi)包層和外包層之間的數(shù)值孔徑，一般設(shè)計(jì)要求比較大，可達(dá)到0.5左右，內(nèi)包層玻璃組成的稍微變動(dòng)，不能達(dá)到對(duì)外包層理想的要求。所以目前商用的石英光纖就不得不用使用其他的材料，譬如塑料來(lái)作為它的外包層材料。由于玻璃和塑料的特性迥異，給它的焊接和應(yīng)用帶來(lái)了很多問(wèn)題。隨著功率的進(jìn)一步提高，塑料的不耐高溫的缺陷越來(lái)越突出。比較塑料，玻璃的耐高溫性能明顯高得多。因此，生產(chǎn)高功率全玻璃光纖的重要性越來(lái)越迫切。

我們已經(jīng)在生產(chǎn)高功率全玻璃光纖上做了一些探索，并申請(qǐng)了相應(yīng)的技術(shù)專利“用于高功率光纖激光器的硅酸鹽全玻璃光纖”。在這專利中，在不損害光纖的環(huán)境穩(wěn)定性的前提下，硅酸鹽玻璃組成經(jīng)過(guò)了最優(yōu)化調(diào)整，能夠有效地代替塑料作為光纖的外包層。

比較硅酸鹽玻璃，磷酸鹽玻璃基質(zhì)本身具有它特有的優(yōu)勢(shì)：1）稀土離子的高摻雜性。這個(gè)特性使得單位長(zhǎng)度的磷酸鹽玻璃光纖能獲得更高的輸出功率和增益，于是減少了活化光纖的長(zhǎng)度。活化光纖長(zhǎng)度的減少，又能進(jìn)一步抑制光纖中一些不被期望的非線性效應(yīng)，譬如受激拉曼散射，受激布里淵散射等等。2）光子暗化效應(yīng)的抑制。伴隨著泵浦功率的逐步提高，石英光纖中光子暗化效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，造成了輸出光的功率和質(zhì)量的大幅下滑。已經(jīng)有學(xué)者的研究報(bào)告顯示，即使在高的稀土離子的摻雜濃度下，磷酸鹽玻璃光纖也顯示出了顯著的光子暗化現(xiàn)象的抑制效應(yīng)。磷酸鹽玻璃的劣勢(shì)也是顯而易見(jiàn)的：1）低的化學(xué)穩(wěn)定性。容易在大氣環(huán)境下產(chǎn)生化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致光纖的激光性能相應(yīng)劣化。2）與石英光纖的困難的焊接。由于與石英光纖有著截然不同的物化性能，磷酸鹽玻璃光纖與石英玻璃光纖之間的焊接是相當(dāng)困難的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種具有高的光子暗化效應(yīng)阻力的，環(huán)境穩(wěn)定的，適合于稀土離子摻雜的，以及易于與石英光纖焊接的高功率全玻璃光纖激光器。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的。

一種用于高功率光纖激光器的磷酸鹽硅酸鹽全玻璃混雜光纖，其特征在于分別使用五氧化二磷P₂O₅或與石英光纖玻璃中相同的結(jié)構(gòu)基團(tuán)的二氧化硅SiO₂作為玻璃結(jié)構(gòu)的主單元，并添加能夠改變玻璃物理化學(xué)性能的堿金屬氧化物，堿土金屬氧化物，中間體氧化物，還有稀土氧化物來(lái)分別制備作為此種高功率玻璃光纖纖芯和內(nèi)外包層的磷酸鹽及硅酸鹽玻璃。

本發(fā)明中的堿金屬氧化物包括氧化鋰（Li₂O），氧化鈉（Na₂O），氧化鉀（K₂O）氧化銫（Cs₂O）；堿土金屬氧化物包括氧化鎂（MgO），氧化鈣（CaO），氧化鋇（BaO）；中間體氧化物一般指得是三氧化二鋁（Al₂O₃）；稀土氧化物包括氧化鐿（Yb₂O₃）和氧化鉺（Er₂O₃）。

本發(fā)明所述的磷酸鹽玻璃纖芯的化學(xué)組成中，五氧化二磷P₂O₅、堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物，中間體氧化物和稀土氧化物的分子數(shù)百分比為：五氧化二磷的含量在50%至75%，堿金屬氧化物不大于15%，堿土金屬氧化物在10%至30%，中間體氧化物不大于25%，稀土氧化物不大于10%。

本發(fā)明所述的硅酸鹽玻璃包層的化學(xué)組成中，二氧化硅SiO₂、堿金屬氧化物，堿土金屬氧化物和中間體氧化物的分子數(shù)百分比為：二氧化硅的含量在30%至70%，堿金屬氧化物在5%至30%，堿土金屬氧化物在5%至30%，中間體氧化物不大于30%。