[發(fā)明專利]一種金屬管內(nèi)生長(zhǎng)晶體包層的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810163894.4
• 申請(qǐng)日: 2018-02-27
• 公開（公告）號(hào): CN108411359B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐軍;王東海;李納;薛艷艷;羅平;王慶國;唐慧麗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B6/02
• 分類號(hào): G02B6/02;C30B15/00;C30B29/24;H01S3/067
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

本發(fā)明涉及一種金屬管內(nèi)生長(zhǎng)晶體包層的方法，包括以下步驟：將晶體光纖插入金屬套管里，套管的芯徑大于光纖的直徑0.1?0.8mm，套管下端是直徑和晶體光纖直徑相同的金屬絲；安裝到晶體生長(zhǎng)提拉爐籽晶桿上，加熱提拉爐坩堝內(nèi)的原料至熔化，下降籽晶桿，使金屬套管下端金屬絲部分浸入熔體中，金屬絲上端露出液面部分長(zhǎng)度2?3mm，熔體即在毛細(xì)作用下沿金屬套管和晶體光纖及金屬絲之間的間隙爬升；繼續(xù)升高坩堝內(nèi)熔體的溫度，使熔體充滿金屬套管和晶體光纖的間隙；以5?10mm/h的拉速將金屬套管拉出坩堝內(nèi)的熔體，降到室溫，得到帶有晶體包層的晶體光纖。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明使晶體芯和晶體包層無縫連接，獲得均勻的折射率分布，從而有能獲得高功率的晶體光纖激光器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于晶體材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高功率光纖激光器光纖及包層的制作工藝。

背景技術(shù)

石英光纖在光通訊方面做出了卓越貢獻(xiàn)，也有人想用它做高功率激光器以解決目前高功率激光器面臨的熱效應(yīng)的問題，熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致熱退偏、熱致衍射損耗等問題，嚴(yán)重影響激光器的輸出功率、轉(zhuǎn)換效率以及光束質(zhì)量等主要性能指標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)甚至引起增益介質(zhì)的損壞，是高功率激光器性能的最主要限制因素。為緩解熱效應(yīng)帶來的影響，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員通過采用板條、DISK和光纖等形式的增益介質(zhì)，增加增益介質(zhì)的表面積體積比，大幅提高散熱效率，從而極大地推進(jìn)了激光器的功率輸出能力。與板條和DISK激光器相比，光纖激光器具有如下幾方面的優(yōu)勢(shì)：其泵浦結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單；光纖本身的結(jié)構(gòu)對(duì)于模式的限制作用使之在光束質(zhì)量方面也存在明顯優(yōu)勢(shì)；能夠采用光纖耦合輸出，應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性很好；基于這些優(yōu)點(diǎn)，光纖激光器已成為高功率激光器的主要發(fā)展方向之一。然而，高功率光纖激光器發(fā)展的一個(gè)明顯障礙在于，目前廣泛用作有源光纖基質(zhì)的石英玻璃導(dǎo)熱系數(shù)很小，僅為1.4-1.6Wm^-1K^-1，小導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)散熱帶來巨大的不利影響，因此光纖激光器高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)仍然對(duì)于制冷有較高的要求，也限制了其功率的繼續(xù)提升。對(duì)于單晶激光增益介質(zhì)而言，常用的激光晶體釔鋁石榴石(YAG)晶體導(dǎo)熱系數(shù)～14Wm^-1K^-1，鋁酸釔(YAP)晶體的導(dǎo)熱系數(shù)也超過～11Wm^-1K^-1，高于石英玻璃數(shù)倍；因此，可考慮采用單晶作為有源光纖的基質(zhì)，利用其高導(dǎo)熱系數(shù)改善光纖本身的散熱性能，降低系統(tǒng)對(duì)于制冷的要求，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性，提升激光器的功率和光束質(zhì)量等輸出性能指標(biāo)。目前已經(jīng)有成熟的技術(shù)來生長(zhǎng)單晶光纖，包括導(dǎo)模法、微下拉法、激光基座加熱法等，可生長(zhǎng)的單晶光纖直徑最小20μm，弗吉尼亞理工大學(xué)用濃硫酸和濃磷酸腐蝕光纖，得到了直徑為800nm的藍(lán)寶石光纖。

然而，幾乎所用的光纖都需要包層，不僅僅只為了將光束限制在光纖內(nèi)部，也是為了將光纖和周圍環(huán)境隔開以保持光纖的完整性，包層也可以用來增加光纖的強(qiáng)度，對(duì)于石英光纖，做光纖包層是通過將石英管和石英纖芯套在一起制成預(yù)制棒，在光纖拉絲塔里共拉成型的，因?yàn)槭⒓訜岬杰浕院笥幸粋€(gè)介于固態(tài)和液態(tài)之間的軟化態(tài)存在，已摻入纖芯中的摻雜劑不會(huì)擴(kuò)散，保持原預(yù)制棒中的折射率分布，而對(duì)于晶體光纖，由于晶體熔化以后呈液態(tài)，可以自由擴(kuò)散，這樣芯棒中摻雜的離子就有可能擴(kuò)散到管棒中去，管棒作為光纖包層不允許存在摻雜離子，所以，用制作石英包層的方法制作晶體包層不可取。國內(nèi)外單位都在嘗試溶膠凝膠制作晶體光纖包層，并沒有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，因?yàn)槿苣z凝膠的效率實(shí)在太低，10次溶膠凝膠以后才制得5μm厚度的包層，離最終可用的厚度200-300μm相距甚遠(yuǎn)，并且通過溶膠凝膠制得的包層很容易開裂。目前國內(nèi)外并沒有成熟的晶體光纖包晶體包層的工藝報(bào)道，有報(bào)道采用晶體芯，石英包層的，是將晶體芯包在石英管里用共拉激光基座加熱法制得，并獲得了良好的光束質(zhì)量，但對(duì)激光功率的放大沒有多大作用，美國US ArmyResearch Laboratory和ONYX Optics公司轉(zhuǎn)而開始研究平面導(dǎo)波---即將芯棒和包層橫截面做成了方形，芯和包層之間用熱鍵合的方式緊密貼合，真正做到了全晶體光纖，但這種熱鍵合的工藝合格率并不高。本發(fā)明提供了一種獲得全晶體光纖的方法，能夠獲得晶體芯和晶體包層的無縫連接，獲得均勻的折射率分布，從而有可能獲得高功率的晶體光纖激光器。

發(fā)明內(nèi)容