本發(fā)明屬于光學(xué)玻璃材料，具體涉及一種高稀土摻雜低損耗低數(shù)值孔徑玻璃光纖的制備方法。
背景技術(shù)：
1、高稀土摻雜濃度、低傳輸損耗激光光纖是高性能單頻光纖激光器的核心部件之一，受制于石英玻璃剛性而有規(guī)則的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中的稀土元素?fù)诫s濃度極其有限，從而抑制了高質(zhì)量石英光纖作為高性能單頻光纖的可能性。多組分玻璃具有更扭曲和無序的結(jié)構(gòu)單元，因此為容納更多的稀土離子留下了足夠的空間。在稀土離子高摻雜方面，多組分玻璃較石英玻璃具有無可替代的優(yōu)勢。已在多組分玻璃光纖中分別實(shí)現(xiàn)了波長位于大約1μm(鐿離子)、1.5μm(鉺離子)、1.8μm(銩離子)和2.0μm(鈥離子)的激光輸出。因此多組分玻璃的研究被期望能夠?yàn)楦咝阅軉晤l光纖激光的產(chǎn)生提供良好的材料支撐。
2、稀土離子的場強(qiáng)和配位數(shù)，決定了其在玻璃結(jié)構(gòu)中只能作為網(wǎng)絡(luò)修飾體存在，由于其市場價格偏高，不被看作玻璃組成不可或缺的成分。目前，多組分光纖玻璃組成通常包括玻璃結(jié)構(gòu)主單元成份、能夠改變玻璃物化性能的堿金屬，和/或堿土金屬氧化物，和/或中間體氧化物，通常不包含稀土氧化物。在必要的場合，稀土氧化物一般作為外加物進(jìn)入玻璃組成中。在低濃度外加場合，外加了稀土的玻璃組成和原來沒有外加稀土的玻璃組成性質(zhì)相差不大，玻璃成纖性能和光纖損耗變化不大。隨著外加稀土濃度逐漸變高，外加了稀土的玻璃組成和原來沒有外加稀土的玻璃組成性質(zhì)相差變大，導(dǎo)致成玻璃性能和成纖性能降低，甚至無法成纖。即使能成纖，由于外加稀土濃度增高，玻璃和光纖中稀土離子間距變小，相互作用力加大，容易產(chǎn)生所謂的“稀土離子簇化”效應(yīng)，使得光纖損耗急劇增大，激光性能大幅劣化。
3、為了在高摻稀土離子的同時，提高玻璃光學(xué)質(zhì)量，降低玻璃基質(zhì)和隨后的光纖損耗，從而實(shí)現(xiàn)高摻雜低損耗玻璃光纖的制作，有必要在光纖玻璃組成設(shè)計時，把稀土元素作為玻璃主成分考慮進(jìn)去。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高稀土摻雜低損耗低數(shù)值孔徑玻璃光纖的制備方法。
2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的高稀土摻雜低損耗低數(shù)值孔徑玻璃光纖的制備方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：
3、1)確定包層玻璃組成：所述包層玻璃由玻璃結(jié)構(gòu)主單元成份、能夠改變玻璃物化性能的堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物和中間體氧化物中的至少一種、以及氧化镥組成；其中玻璃結(jié)構(gòu)主單元成份的重量、堿金屬和/或堿土金屬和/或中間體氧化物的總重量、以及氧化镥的重量百分?jǐn)?shù)之比為45-65:15-40:2-30；
4、2)確定纖芯玻璃組成：所述纖芯玻璃由玻璃結(jié)構(gòu)主單元成份、能夠改變玻璃物化性能的堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物和中間體氧化物中的至少一種、以及鑭系元素氧化物組成；其中纖芯玻璃與包層玻璃中玻璃結(jié)構(gòu)主單元成份的種類和重量百分?jǐn)?shù)總量完全相同；纖芯玻璃與包層玻璃中的堿金屬氧化物和/或堿土金屬氧化物和/或中間體氧化物的種類和重量百分?jǐn)?shù)總量完全相同；鑭系元素氧化物由氧化镥以外的其它鑭系元素氧化物中的至少一種部分或全部替換包層玻璃中的氧化镥組成，且纖芯玻璃中鑭系元素氧化物的重量百分?jǐn)?shù)總量與包層玻璃中氧化镥的重量百分?jǐn)?shù)完全相同；
5、3)包層玻璃和纖芯玻璃的制備：將上述包層玻璃原料和纖芯玻璃原料按比例混合均勻，分別置于預(yù)先升溫至熔化溫度的高溫爐中加熱，熔制成包層玻璃液和纖芯玻璃液；然后將上述包層玻璃液和纖芯玻璃液分別傾倒在預(yù)熱好的鑄鐵模具中，待充分固化后放入退火爐中冷卻至室溫后取出，分別制成塊狀包層玻璃和纖芯玻璃；
6、4)高稀土摻雜低損耗低數(shù)值孔徑玻璃光纖的制備：將上述塊狀包層玻璃和纖芯玻璃分別加工成預(yù)制棒，然后將預(yù)制棒放入光纖拉制爐中進(jìn)行拉纖操作，最終實(shí)現(xiàn)高稀土摻雜低損耗低數(shù)值孔徑玻璃光纖的制備。
7、所述玻璃結(jié)構(gòu)主單元成份選自氧化硅(sio2)、氧化磷(p2o5)、氧化硼(b2o3)、氧化鍺(geo2)、氧化碲和氧化鉍中的至少一種。
8、所述堿金屬氧化物選自氧化鋰(li2o)、氧化鈉(na2o)和氧化鉀(k2o)中的至少一種；所述堿土金屬氧化物選自氧化鎂(mgo)、氧化鈣(cao)、氧化鍶(sro)和氧化鋇(bao)中的至少一種；所述中間體氧化物選自氧化鋁(al2o3)、氧化鋅和氧化鎵中的至少一種。
9、所述鑭系元素包括鑭、鈰、鐠、釹(nd)、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥(ho)、鉺(er)、銩(tm)、鐿(yb)和镥(lu)。
10、所述玻璃包括硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃和鍺酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃和鉍酸鹽玻璃，以及上述玻璃的混雜玻璃，混雜玻璃包括硼磷酸鹽玻璃、鍺碲酸鹽玻璃和碲鉍酸鹽玻璃等。
11、所述高稀土摻雜低損耗低數(shù)值孔徑玻璃光纖的數(shù)值孔徑低至0.03。
12、本發(fā)明具有如下有益效果：
13、基于鑭系收縮現(xiàn)象，镥元素在所有15種鑭系元素中具有最小的離子半徑和分子折射度。相較于其他鑭系元素，镥元素在多組分玻璃中的摻雜量可以最高，相同的摻雜量導(dǎo)致的玻璃基質(zhì)損耗理論上應(yīng)該最低。由于這些稀土元素在物化性質(zhì)上極其相近，常用的稀土發(fā)光元素，如鈥，鉺，銩和鐿等元素，在周期表中又位于镥元素左面緊密相鄰位置，具有最小的物化性質(zhì)差異，等量相互替代導(dǎo)致的玻璃物化性質(zhì)的改變最小，產(chǎn)生的數(shù)值孔徑可以降至很低。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在玻璃熔制過程中，氧化镥具有氣泡抑制作用，有助于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量光學(xué)玻璃的制備。玻璃中氧化镥的存在，還可以大大增加玻璃的熱穩(wěn)定性(抗析晶能力)，有利于光纖拉制溫度區(qū)間的增寬，光纖傳輸損耗的降低。
14、基于玻璃中镥元素特有的物化性質(zhì)，本發(fā)明創(chuàng)造性地提出了采用氧化镥作為玻璃中不可或缺的關(guān)鍵成分的組成設(shè)計法，輔之于優(yōu)化的玻璃熔制、預(yù)制棒制備和光纖拉制過程，能實(shí)現(xiàn)高稀土摻雜低損耗低數(shù)值孔徑玻璃光纖的制備。該方法簡單合理，具有良好的效果，可為大纖徑單模高性能玻璃光纖的發(fā)展和應(yīng)用提供可能。
1.一種高稀土摻雜低損耗低數(shù)值孔徑玻璃光纖的制備方法，其特征在于：所述制備方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高稀土摻雜低損耗低數(shù)值孔徑玻璃光纖的制備方法，其特征在于：所述玻璃結(jié)構(gòu)主單元成份選自氧化硅、氧化磷、氧化硼、氧化鍺、氧化碲和氧化鉍中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高稀土摻雜低損耗低數(shù)值孔徑玻璃光纖的制備方法，其特征在于：所述堿金屬氧化物選自氧化鋰、氧化鈉和氧化鉀中的至少一種；所述堿土金屬氧化物選自氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶和氧化鋇中的至少一種；所述中間體氧化物選自氧化鋁、氧化鋅和氧化鎵中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高稀土摻雜低損耗低數(shù)值孔徑玻璃光纖的制備方法，其特征在于：所述鑭系元素包括鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿和镥。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高稀土摻雜低損耗低數(shù)值孔徑玻璃光纖的制備方法，其特征在于：所述玻璃包括硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、鍺酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃和鉍酸鹽玻璃，以及上述玻璃的混雜玻璃，混雜玻璃包括硼磷酸鹽玻璃、鍺碲酸鹽玻璃和碲鉍酸鹽玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高稀土摻雜低損耗低數(shù)值孔徑玻璃光纖的制備方法，其特征在于：所述高稀土摻雜低損耗低數(shù)值孔徑玻璃光纖的數(shù)值孔徑低至0.03。