高溫氣相摻雜法制備高摻銩石英光纖

高溫氣相摻雜法制備高摻銩石英光纖衣永青;王東波;梁小紅;段云峰;寧鼎【摘要】介紹了用高溫氣相摻雜技術制備高摻銩雙包層光纖的原理及制備工藝.通過料路溫度與摻雜濃度的對比實驗，以及對該新制備工藝的研究完善，找到了合適的料路溫度，提高了銩的摻雜濃度和摻雜濃度的均勻性，新工藝有效消除了預制棒芯部的凹陷，降低了光纖的本底損耗，最終制作出摻雜濃度高(20.6%)、內包層形狀為D形的高性能的摻銩雙包層光纖.【期刊名稱】《激光與紅外》【年(卷)，期】2010(040)003【總頁數】4頁(P264-267)【關鍵詞】Tm~(3+)摻雜;雙包層光纖;高溫氣相摻雜;光纖激光器【作者】衣永青;王東波;梁小紅;段云峰;寧鼎【作者單位】中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津,300220;中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津,300220;中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津,300220;中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津,300220;中國電子科技集團公司第四十六研究所,天津,300220【正文語種】中文【中圖分類】TN2531引言由于有源光纖激光器具有高的能效比、輸出光束質量好、輸出波長范圍寬、體積小、質量輕等優(yōu)點，近年來，有源光纖激光器取得了飛速發(fā)展，但隨著輸出功率的進一步提高，人們越來越發(fā)現人眼安全成為光纖激光器發(fā)展的重要問題，由于摻銩光纖激光器的發(fā)射波長在2pm附近，屬于人眼安全波段范圍，所以摻銩光纖近幾年發(fā)展迅速，成為研究熱點。銩為鑭系稀土元素，原子序數69。光纖激光器的發(fā)射波長在2pm附近，能夠實現1.6~2.1pm的調諧，是所有稀土離子中最寬的，其中2pm近紅外長波段對人眼安全,保護視網膜不會受到高功率激光的照射，避免引發(fā)永久傷害和失去視力，可廣泛應用于激光雷達、遙感技術以及激光醫(yī)學、眼睛安全的近距離遙感、軍事等領域。這種波段的激光在普通石英光纖中表現出良好的傳輸特性(<0.44dB/m),而且由于銩離子特殊的能級結構，不同能級之間的交叉馳豫可突破理論的Stokes效率極限，大大提高激光器的效率，離子效率理論值可高達2,圖1為石英光纖中Tm3+的能級結構示意圖及相關能級躍遷。利用頻率上轉換技術(FrequencyUpconvertion)產生可見光，可使近紅外光泵浦的光纖成為可見熒光輻射源和激光輻射源，在光纖陀螺、光學測量診斷技術、分子生物學、醫(yī)學等方面具有重要的應用價值。由于摻銩光纖的這些重要應用價值，國外在摻銩光纖的研究方面發(fā)展迅速,2000年英國南安普敦大學的NilssonJ等用雙包層摻銩光纖和雙端抽運方式實現了斜率效率46%的14W連續(xù)波輸出［1］,同時又用光纖選波長技術實現了激光波長1870-2040nm可調諧激光輸出，調諧范圍內連續(xù)波功率大于5W,采用的光纖內包層為D型、直徑200pm、纖芯直徑20pm［2］。最近東京大學在基于單包層環(huán)形腔光纖激光器技術的基礎上，將摻銩光纖的輸出端磨成45°角放在輸入端，與輸入端光纖準直，實現了雙包層環(huán)形腔11.5W的連續(xù)波輸出［3］。德國的IPG公司生產的高功率單模摻銩雙包層光纖激光器已達到150W的連續(xù)輸出,波長可調諧的范圍在1750-2200nm。經過短短幾年，國際上雙包層摻銩光纖和光纖激光器的研究飛速發(fā)展。英國南安普敦大學和通訊研究室、德國漢堡技術大學、美國的PolaroidCorporation.Bell實驗室、日本的NTT、Hoys以及俄羅斯的IREPolus公司均在摻稀土離子雙包層光纖研究中取得了許多重要成果［4］。最近NUFERN公司研制成功業(yè)界第一款高效率摻銩雙包層光纖，適合于人眼安全的2pm波段光纖激光器和放大器應用。纖芯直徑25pm,包層直徑400pm。圖1石英光纖中Tm3+的能級結構示意圖及相關能級躍遷相比之下，國內高功率雙包層摻銩光纖和光纖激光器的研究工作起步較晚。目前存在的主要問題有:光纖芯部的稀土離子摻雜濃度低、均勻性差。這是限制光纖激光器性能提高的技術〃瓶頸”。目前高功率雙包層摻銩光纖的制備方法已從最普遍的溶液摻雜發(fā)展到DND技術、氣相摻雜技術和氣溶膠技術等。其中高溫氣相摻雜技術制備的光纖摻雜濃度高、摻雜均勻性好而且光纖的本底損耗低,本文在國內率先采用先進的高溫氣相摻雜工藝，對該工藝方法的原理、關鍵工藝技術進行深入研究，利用高溫氣相摻雜技術制備出高摻銩雙包層光纖。2光纖的制備工藝用易揮發(fā)的有機螯合物高溫揮發(fā)氣相制備有源光纖預制棒的基本原理如下:光纖預制棒的制備是通過標準的MCVD工藝并弓|入了新的高溫料柜系統(tǒng)。圖2示出了稀土螯合物供料系統(tǒng)的大致圖解。AlCl6的料路主要是提供預制棒芯部Al2O3的沉積。Al203的摻入目的在于阻止導致濃度淬滅的稀土離子團聚現象的發(fā)生，提高光纖芯部稀土離子的摻雜濃度,Al203的摻入同時可以使光纖纖芯的折射率凹陷減小。三種稀土料源用RE(thd)3為標記，每一路都獨立加熱到150~210°C的溫度。氦氣用來作為攜帶氣體,被加熱的氦氣通過盛有稀土和AlCl6的料瓶，接著通過加熱的傳輸系統(tǒng)傳送到一旋轉的機械密封裝置,另有一單獨的氦稀釋線路用來提供給稀土和鋁的料路，稀土、鋁和標準的MCVD反應物是保持獨立直到它們注入MCVD的反應管中，以防止它們在加熱的傳輸管道中預反應。圖2稀土螯合物供料系統(tǒng)圖解高溫供料氣相摻雜工藝所采用的主要原料是易揮發(fā)的有機稀土螯合物，其簡化分子式RE(thd)3的結構式如圖3所示。圖3RE(thd)3的結構式其中,Ln為稀土元素鉺、鐿或銩,R為-CH3等或其他碳氫分子鏈。R不同，原料的蒸氣壓溫度會有不同，但其基本反應規(guī)律大致相同。當達到一定的溫度和蒸氣壓，有機螯合物就會在氦氣流的帶動下進入反應管，在高溫下，有機配位體和稀土離子連接斷開被蒸發(fā)，而稀土元素跟氧氣反應生成稀土氧化物沉積在管壁上。發(fā)生的主要反應如下：其他原料的反應過程同MCVD。具體實驗過程如下：采用MCVD工藝常規(guī)制備光纖的阻擋層這一過程將一高質量的石英管連接到玻璃車床上，該反應管首先用SF6高溫拋光所有表面雜質，接著由高純O2攜帶SiCl4,GeCl4等原料進入不斷旋轉的高純石英基質反應管中，下面用氫氧焰高溫加熱反應管，使原料在高溫下發(fā)生氧化反應而均勻地沉積在石英管上，形成含SiO2-P2O5-F的光纖阻擋層。阻擋層的作用首先是阻止雜質擴散到芯部,同時也將和反應管一起作為光纖的內包層，所以要控制其折射率與反應管相匹配。制備光纖的芯層硅錯等原料的進入與阻擋層同，將AlCl6的料路和稀土螯合物料路分別加熱到其揮發(fā)溫度，然后通入一定流量的氦氣攜帶氣體，將原料通過一直密封加熱的恒溫管路直到進入反應管后再混合加熱，使其各自反應沉積，形成含有稀土離子的纖芯。在制備過程中我們進行了濃度和溫度的實驗，實驗結果如3.1節(jié)所示。3） 燒縮成光纖預制棒將反應管在高溫下燒縮成透明的具有摻稀土離子芯層的預制棒。并根據尺寸要求對預制棒進行加套至合適的尺寸。4） 預制棒加工處理將加套好的預制棒分段根據要求的結構設計加工尺寸燃后在磨拋機上進行加工并拋光成所需形狀的內包層結構。5） 拉絲工藝在一定的溫度下將加工好的預制棒拉制成為規(guī)定尺寸的光纖。在線涂覆低折射率的紫外光固化涂料作為光纖的外包層。6） 測試對拉制的光纖進行性能參數測試。3實驗結果及討論3.1料路溫度和摻雜濃度在制備過程中我們進行了銩的料路溫度與摻雜濃度實驗,實驗過程如下:我們將銩的料量保持35mL/min不變，只改變料溫，將料溫從120^每次提高10°C最后到2001,再高的溫度我們沒有做，因為所采用的原料均為有機原料，有一定的壓力范圍，壓力過高容易發(fā)生危險，試驗后將制備的預制棒進行濃度測試,測試結果如表1所示。表1料路溫度與摻雜濃度表從濃度實驗可以看出，在180C時制備的預制棒濃度達到最高，證明在該溫度時，壓力達到飽和狀態(tài)，之后濃度基本保持不變，微小變化跟測試誤差有關系。3.2預制棒及光纖通過大量的工藝實驗以及對高溫氣相摻雜工藝的研究和完善，并對用該工藝制備的光纖預制棒進行的測試發(fā)現，用高溫氣相摻雜工藝制備的光纖預制棒纖芯直徑可以隨意控制,纖芯直徑可以做到2.0mm以上，而且通過P104折射率分布圖發(fā)現預制棒的芯部幾乎沒有凹陷，圖4為高溫氣相摻雜工藝制備的預制棒折射率分布圖，圖5為用溶液摻雜技術制備的預制棒折射率分布圖。從圖中可以看出，高溫氣相摻雜工藝制備的預制棒折射率分布更加完善。而且對摻雜濃度的測試發(fā)現,預制棒兩端以及中間各部分濃度差別很小，摻雜濃度非常均勻，光纖的性能好。利用上述工藝我們成功制備出高摻雜濃度的內包層形狀為D型的雙包層摻銩光纖,圖6為顯微鏡拍攝的光纖端面圖。光纖達到的參數如下：纖芯直徑:30pm;內包層形狀:D型內包層尺寸:400x350pm摻雜濃度：20.6%本底損耗（工作波長）：<0.1dB/m包層泵浦吸收@793nm:>2.0dB/m包層泵浦吸收@1180nm:>0.5dB/m4結論目前國內制備高濃度摻稀土離子雙包層光纖普遍采用MCVD工藝結合溶液摻雜技術，該方法制備摻稀土離子光纖由于工藝條件的限制，存在很多無法克服的技術問題,制備的摻稀土離子光纖摻雜濃度低且重復性差，光纖芯部容易析晶且摻雜濃度不均勻,成本高，光纖性能也受到較大影響。本文采用新的工藝設備，通過有機金屬螯合物高溫氣相摻雜工藝制備高摻雜濃度雙包層摻銩光纖，用該方法制備的雙包層摻銩光纖的摻雜濃度高、均勻性好,光纖的批次一致性好。該技術可根據需求精確控制摻雜濃度、沉積效率高，是制備高功率雙包層有源光纖的關鍵技術，可以扭轉國內高濃度有源光纖完全依賴進口的局面而且高摻銩光纖的研制成功,可以為人眼安全波段高功率光纖激光器和放大器的研制提供有效的保障。參考文獻：HaywardRA,ClarksonWA,TurnerPW.Efficientcladding-pumpedTm-dopedsilicafiberlaserwithhighpowersinglemodeoutputat2pm[J].ElectronicsLetters,2000,36(8):711-712.ClarksonWA,BarnedNP,TurnerPW.Hihg-powercladding-pumpedTm-dopedsilicafiberlaserwithwavelengthtuningfrom1860to2090nm[J].OpticsLetters,2002,27(22):1989-1991.JianqiuXu,MahendraPrabhu,JianrenLu.Efficientdouble-