[發(fā)明專利]一種抗光暗化的摻鐿石英光纖及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810587237.2
• 申請(qǐng)日: 2018-06-06
• 公開（公告）號(hào): CN109502961B
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 樓風(fēng)光;胡麗麗;于春雷;王孟;張磊;許曉青;陳丹平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號(hào): C03B37/018
• 分類號(hào): C03B37/018;C03B37/025;C03C13/04
• 代理公司: 上海一平知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31266
• 代理人: 馬思敏;劉妍珺

本發(fā)明涉及一種抗光暗化的摻鐿石英光纖及其制備方法。具體地，本發(fā)明提供一種抗光暗化的摻鐿石英光纖，所述光纖芯棒的玻璃至少包括Yb₂O₃、Al₂O₃、P₂O₅、SiO₂，其中，Yb₂O₃、Al₂O₃、P₂O₅在整個(gè)物質(zhì)中的占比分別為：Yb₂O₃：0.05～0.3mol％，Al₂O₃：1～3mol％，P₂O₅：1～5mol％。本發(fā)明還提供一種抗光暗化的摻鐿石英光纖的制備方法。本發(fā)明通過將溶膠凝膠法和改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法相結(jié)合，分別利用其分子級(jí)摻雜均勻性和低損耗制備優(yōu)勢(shì)，將鐿離子、鋁離子磷離子有效摻雜在石英基質(zhì)中，有效解決了光纖損耗高、由于團(tuán)簇等原因引起的光暗化以及折射率中心凹陷問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光纖領(lǐng)域，具體地涉及一種抗光暗化的摻鐿石英光纖及其制備方法。

背景技術(shù)

摻鐿石英光纖是1μm光纖激光器的核心元件。隨著半導(dǎo)體激光器泵浦與激光耦合等能量光電子技術(shù)的飛速發(fā)展，摻鐿光纖激光器的功率也從最初的瓦級(jí)發(fā)展到萬(wàn)瓦級(jí)。然而，隨著激光功率的升高，摻鐿石英光纖中出現(xiàn)輸出功率隨運(yùn)行時(shí)間的增加而降低的現(xiàn)象，該現(xiàn)象稱為光暗化現(xiàn)象。光暗化現(xiàn)象大大制約了高功率摻鐿光纖激光器的壽命和穩(wěn)定性。

摻鐿石英光纖光暗化現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要有以下幾個(gè)方面。首先是色心，關(guān)于色心產(chǎn)生的原因，英國(guó)南安普頓大學(xué)的S.Yoo(Electronics Letters，2010，第46卷，第3期，243)認(rèn)為色心的形成分為兩步，首先是摻鐿光纖在輻照條件下結(jié)構(gòu)中的氧缺陷會(huì)放出電子，然后臨近的鐿離子格位通過俘獲電子形成色心；文獻(xiàn)(Optics Express，2014，第22卷，第7期，7638)則認(rèn)為光纖材料中三價(jià)鐿離子得到電子發(fā)生價(jià)態(tài)改變：Yb³⁺→Yb²⁺，并在氧配位鍵周圍形成空穴，進(jìn)而誘導(dǎo)產(chǎn)生色心。其次是鐿離子團(tuán)簇，文獻(xiàn)(Optics Express，2007，第15卷，第22期，14838)研究報(bào)道，摻鐿光纖中的光暗化現(xiàn)象與鐿離子發(fā)生團(tuán)簇現(xiàn)象存在密切關(guān)聯(lián)，其出現(xiàn)的概率與鐿離子對(duì)的數(shù)量和某些離子鍵斷裂的概率成正相關(guān)，鐿離子濃度越高，團(tuán)簇現(xiàn)象越明顯，光纖中光暗化現(xiàn)象也越嚴(yán)重。此外，溫度也是影響摻鐿石英光纖中光暗化的重要因素，文獻(xiàn)(Journal of the Optical Society of America B，2011，第28卷，第1期，65)對(duì)比了摻鐿光纖在不同溫度下的光暗化現(xiàn)象，光暗化速率隨著溫度的升高先加快，達(dá)到一定溫度之后趨于飽和。

針對(duì)以上光暗化機(jī)理，目前改善摻鐿石英光纖光暗化性能的方法主要有以下幾種：

第一種是引入鈰離子，鈰離子的摻入會(huì)在摻鐿石英光纖中引入氧化還原對(duì)Ce³⁺/Ce⁴⁺，減少鐿離子本身的變價(jià)，降低由于鐿離子變價(jià)引起的色心，從而減弱摻鐿光纖中的光暗化。李進(jìn)延等(專利CN 102135641 A，申請(qǐng)?zhí)?01110076289.1)報(bào)道了一種通過共摻鈰和釔等離子制備摻鐿石英光纖，實(shí)現(xiàn)了82％的斜率效率以及優(yōu)異的光暗化性能，該光纖能在50小時(shí)，10W的輸出功率條件下工作50小時(shí)效率降低小于5％，但所述輸出激光功率與工業(yè)應(yīng)用仍有較大距離(工業(yè)應(yīng)用要求1000W輸出功率500小時(shí)效率降低小于等于5％)。

第二種是引入三氧化鋁和五氧化二磷。三氧化鋁和五氧化二磷打破了二氧化硅的致密結(jié)構(gòu)，從而增大了鐿離子在二氧化硅結(jié)構(gòu)中的溶解度，減小了鐿離子之間的團(tuán)簇。該方法可以在一定程度上抑制光暗化現(xiàn)象，專利(CN106116136 A，申請(qǐng)?zhí)?01610489887.4)通過引入P，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，激光功率下降幅度由不摻P樣品的56％降低至16％，暗化現(xiàn)象有大幅改進(jìn)，但仍有繼續(xù)優(yōu)化的空間。