本發(fā)明涉及光纖預制棒和激光玻璃，特別是一種大模場摻稀土石英光纖預制棒芯棒的制備方法及石英基激光玻璃的均化制備方法。

背景技術：

為滿足工業(yè)加工應用的更高激光功率的要求，同時又降低稀土摻雜石英光纖的單位面積激光承載功率，減少非線性效應和激光損傷，高功率激光光纖正在朝著大模場光纖的方向發(fā)展。自2004年以來，英國南安普頓大學(Optics Express,2004,Vol.12,No.25,pp.6088-6092)和德國Jena光子技術研究所聯(lián)合Heraeus公司(SPIE會議文集，2008年的6873卷，pp.687311-1-9)進行了大模場摻Yb特種光纖的研制工作。

目前較成熟的稀土摻雜石英光纖預制棒的制備方法是改進的化學氣相沉積(MCVD)結合溶液浸泡法。該方法的缺點是：由于摻雜均勻性和摻雜過程應力控制的限制，很難實現(xiàn)大芯徑的稀土摻雜石英芯棒的制備。2010年公開的德國Heraeus公司和德國Jena光子技術研究所聯(lián)合申請的一項美國專利(US 2010/0251771 A1)提出了一種摻雜石英玻璃的制備方法。該方法從含50wt％氧化硅納米粉的氨水溶液出發(fā)，加入AlCl₃,YbCl₃的水溶液，形成均勻摻雜Al³⁺,Yb³⁺離子的SiO₂顆粒。通過造粒、干燥、等靜壓成型、脫水、燒結和玻璃化，形成均勻摻雜的石英玻璃。采用該方法可以制備長度200mm,直徑15mm的摻Yb石英玻璃芯棒，并用它制備了1200nm處背底損耗為50dB/km的摻Yb石英大模場棒狀光纖。但這種方法的局限性在于只能實現(xiàn)Yb³⁺,Al³⁺共摻石英玻璃芯棒的制備，不能實現(xiàn)Yb³⁺,Al³⁺,P⁵⁺共摻，從而較難控制高功率激光輸出應用情況下的光致暗化效應。并且該方法是用氧化硅納米粉固相出發(fā)，較難從根本上解決芯棒玻璃的光學均勻性問題。

2013年3月公開的長飛光纖光纜有限公司的發(fā)明專利“一種稀土均勻摻雜預制棒芯棒及其制備”(公開號：CN 102992613 A)。該方法采用10-200nm的納米氧化硅粉作為原料，溶解在pH＝7-11、含摻雜離子的水或乙醇溶液中，經(jīng)過脫水、造粒處理后得到含摻雜物的氧化硅粉。采用等靜壓和氣氛燒結獲得摻稀土離子的石英玻璃芯棒。該發(fā)明獲得了折射率波動在±10％以內(nèi)的芯棒玻璃。但該發(fā)明采用的是納米氧化硅原料，不是從純?nèi)芤悍ㄖ苽浞勰?，難以從根本上解決有多種摻雜離子情況下的均勻性問題。

2013年本發(fā)明人所在課題組發(fā)展了一種以溶膠凝膠工藝制備大模場摻鐿光纖預制棒芯棒的技術，并申請了發(fā)明專利“摻Yb石英光纖預制棒芯棒的制備方法”(專利公開號103373811A)。該發(fā)明專利著重介紹了大尺寸的摻鐿芯棒玻璃的制備方法，其不足之處是玻璃中的二價鐿離子及低價雜質離子的含量仍較高，導致最終的光纖損耗仍處于較高水平。另一方面，稀土摻雜石英玻璃的光學均勻性仍較差，無法滿足激光玻璃介質的應用要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術的不足和缺陷，根據(jù)高功率光纖激光器和固態(tài)激光器發(fā)展的需求，提供一種稀土摻雜石英玻璃棒的均化制備方法。應用該方法獲得的稀土摻雜石英玻璃棒既可用來制備大尺寸、高均勻性大模場雙包層摻稀土石英光纖，又可制備光學均勻性更高的稀土摻雜石英玻璃。

本發(fā)明的技術解決方案為：

一種稀土摻雜石英玻璃棒的均化制備方法，包括下列步驟：

①將基于粉體燒結工藝制備的稀土摻雜石英玻璃加工成直徑6-10mm、長度50-200mm的玻璃棒置于玻璃燈工車床上利用氫氧焰進行微區(qū)加熱，調(diào)整火焰使得加熱高溫區(qū)長度小于1cm，按照化學反應比例關系，氫氣和氧氣按照2比1的關系反應生成水分，為了獲取富氧氣氛，需要增加氧氣流量，使氧氣與氫氣的流量比例從常規(guī)的0.5提高到1，加熱溫度至2000℃-2100℃范圍，利用車床旋轉對高溫加熱的玻璃區(qū)域進行二次高溫均化處理，車床轉動速度以稀土摻雜石英玻璃不會因重力軟化掉落為宜，通常旋轉速度為60-70轉/分鐘，氫氧焰以一定的速度從一端向另一端緩慢往復移動加熱，通?；鹧嬉苿铀俣葹?0-40mm/分鐘；

②上述稀土摻雜石英玻璃棒往復移動加熱均化的次數(shù)為10次-15次；

③將氫氧焰溫度調(diào)至1500℃-1600℃左右，對上述均化完成的稀土摻雜石英玻璃棒從一端向另一端移動加熱進行退火處理，火焰移動速度為80-100mm/分鐘；

④完成玻璃退火后，取下稀土摻雜石英玻璃棒，得到高光學均勻性的稀土摻雜石英玻璃棒。

將上述二次加熱均化后的稀土摻雜石英玻璃棒進行光學加工得到實際應用所需直徑的稀土摻雜石英玻璃棒，該玻璃棒既可以用作光纖預制棒芯棒，也可用作棒狀激光玻璃介質。

本發(fā)明的有益效果：

1、可以有效提高稀土摻雜石英玻璃的光學均勻性；

2、可以有效減少低價態(tài)稀土離子及雜質離子的含量，利于發(fā)光性能的提高及光纖損耗的降低；

附圖說明

圖1是實施例1摻鐿石英玻璃棒微區(qū)加熱二次熔融均化前后顯微熒光照片對比，其中，a為實施例1摻鐿石英玻璃棒微區(qū)加熱二次熔融均化前微熒光照片，b為實施例1摻鐿石英玻璃棒微區(qū)加熱二次熔融均化后微熒光照片。

圖2是應用例摻鐿芯棒微區(qū)加熱二次熔融均化前后制備得到的稀土摻雜石英光纖的顯微照片，其中，a為應用例摻鐿芯棒微區(qū)加熱二次熔融均化前制備得到的稀土摻雜石英光纖的顯微照片，b為應用例摻鐿芯棒微區(qū)加熱二次熔融均化后制備得到的稀土摻雜石英光纖的顯微照片。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例分別就本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明中將已制備的稀土摻雜石英玻璃棒置于玻璃燈工車床上，利用氫氧焰對芯棒玻璃局部微區(qū)進行加熱，加熱時芯棒處于轉動狀態(tài)。加熱時使氧氣過量，獲得富氧氣氛，在摻雜石英玻璃軟化狀態(tài)下，對玻璃進行氧化及高溫均化處理，從而有效減少玻璃內(nèi)部的低價態(tài)離子含量，同時大幅提高玻璃的均勻性。

實施例1：

本實施例利用粉體燒結工藝燒制的摻鐿石英玻璃棒，進行高溫微區(qū)加熱，均化制備高質量稀土摻雜石英玻璃棒。該方法包括下列步驟：

①將基于粉體燒結工藝制備的稀土摻雜石英玻璃加工成直徑10mm、長度50mm的玻璃棒置于玻璃燈工車床上利用氫氧焰進行微區(qū)加熱，調(diào)整火焰使得加熱高溫區(qū)長度小于1cm，按照化學反應比例關系，氫氣和氧氣按照2比1的關系反應生成水分，為了獲取富氧氣氛，需要增加氧氣流量，使氧氣與氫氣的流量比例從常規(guī)的0.5提高到1，加熱溫度至2000℃，利用車床旋轉對高溫加熱的玻璃區(qū)域進行二次高溫均化處理；車床轉動速度為60轉/分鐘，氫氧焰以30mm/分鐘的速度從一端向另一端緩慢往復移動加熱。

②上述稀土摻雜石英玻璃棒往復移動加熱均化15次，停止加熱，完成高溫均化過程。

③將氫氧焰溫度調(diào)至1600℃左右，對上述均化完成的稀土摻雜石英玻璃棒從一端向另一端移動加熱進行低溫退火處理，火焰移動速度為80mm/分鐘。

④完成玻璃退火后，取下稀土摻雜石英玻璃棒，即制備得到高光學均勻性的稀土摻雜石英玻璃棒。

對二次加熱均化前后的芯棒玻璃進行顯微熒光分析，結果如圖1所示?？梢娊?jīng)過高溫微區(qū)加熱處理后的玻璃發(fā)光變得更為均勻。

實施例2：

本實施例利用粉體燒結工藝燒制的摻鐿石英玻璃棒，進行高溫微區(qū)加熱，均化制備高質量稀土摻雜石英玻璃棒。該方法包括下列步驟：

①將基于粉體燒結工藝制備的稀土摻雜石英玻璃加工成直徑6mm、長度200mm的玻璃棒置于玻璃燈工車床上利用氫氧焰進行微區(qū)加熱，調(diào)整火焰使得加熱高溫區(qū)長度小于1cm，按照化學反應比例關系，氫氣和氧氣按照2比1的關系反應生成水分，為了獲取富氧氣氛，需要增加氧氣流量，使氧氣與氫氣的流量比例從常規(guī)的0.5提高到1，加熱溫度至2100℃，利用車床旋轉對高溫加熱的玻璃區(qū)域進行二次高溫均化處理。車床轉動速度為80轉/分鐘，氫氧焰以40mm/分鐘的速度從一端向另一端緩慢往復移動加熱。

⑤上述稀土摻雜石英玻璃棒往復移動加熱均化10次，停止加熱，完成高溫均化過程。

⑥將氫氧焰溫度調(diào)至1500℃左右，對上述均化完成的稀土摻雜石英玻璃棒從一端向另一端移動加熱進行低溫退火處理，火焰移動速度為100mm/分鐘。

⑦完成玻璃退火后，取下稀土摻雜石英玻璃棒，即制備得到高光學均勻性的稀土摻雜石英玻璃棒。

實施例3：

本實施例是利用粉體燒結工藝燒制的摻釹石英玻璃棒，進行高溫微區(qū)加熱，均化制備高質量釹摻雜石英玻璃棒。該方法包括下列步驟：

①將基于粉體燒結工藝制備的釹摻雜石英玻璃加工成直徑6mm、長度100mm的玻璃棒置于玻璃燈工車床上利用氫氧焰進行微區(qū)加熱，調(diào)整火焰使得加熱高溫區(qū)長度小于1cm，按照化學反應比例關系，氫氣和氧氣按照2比1的關系反應生成水分，為了獲取富氧氣氛，需要增加氧氣流量，使氧氣與氫氣的流量比例從常規(guī)的0.5 提高到1，加熱溫度至2000℃，利用車床旋轉對高溫加熱的玻璃區(qū)域進行二次高溫均化處理。車床轉動速度為60轉/分鐘，氫氧焰以30mm/分鐘的速度從一端向另一端緩慢往復移動加熱；

②上述稀土摻雜石英玻璃棒往復移動加熱均化10次，停止加熱，完成高溫均化過程；

③將氫氧焰溫度調(diào)至1600℃左右，對上述均化完成的稀土摻雜石英玻璃棒從一端向另一端移動加熱進行低溫退火處理，火焰移動速度為100mm/分鐘；

④完成玻璃退火后，取下釹摻雜石英玻璃棒，即得到高光學均勻性的釹摻雜石英玻璃棒。

應用實施例

利用實施例1均化制備的摻鐿石英玻璃棒作為芯棒，用套管法拉制光纖，對比測試均化前后玻璃拉制光纖的顯微形貌，如圖2所示?？梢娊?jīng)過高溫微區(qū)加熱處理后的芯棒玻璃較之未處理的芯棒所制備的光纖內(nèi)部光學均勻性明顯獲得了提高。