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新型光纤制造方法助力光纤激光器发展 |
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作者：Mridu P. Kalita 来源：激光世界 |
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工业光纤激光器制造正成为石英光纤增长最快的市场之一。光纤激光器展现出了许多优于二极管泵浦固体激光器的性能，诸如卓越的性能、优良的可靠性、紧凑的体积、较高的效率，以及为用户带来的成本节省。特别是掺镱光纤激光器，其在连续波和脉冲工作模式下，分别实现了数千瓦量级的功率输出。[1]掺镱光纤激光器应用的不断增多，激发了业界对各种类型的二氧化硅光纤的开发，而且每种光纤都具备独特的属性，以满足特定的应用需求。由于玻璃的设计和材料特性对光纤激光器的性能具有决定性的影响，因此光纤及其预制棒的制造也在不断向前发展。
大多数二氧化硅光纤都是通过基于改进型化学气相沉积（MCVD）法制作的光纤预制棒拉制而成。这种方法非常适合于制造传输用的无源光纤，但是不太适合于在预制棒的玻璃结构中掺杂稀土离子。现有的名为溶液掺杂技术就是为解决这个问题应运而生的，但是仍然不能用于制造具有多层结构、设计复杂的光纤。[2]为了弥补目前对光纤激光器的需求与现有稀土掺杂能力之间的差距，英国南安普顿大学光电子研究中心（ORC）开发出了两项新技术——现场溶液掺杂技术和化学坩埚沉积技术。 [3,4]
现场溶液掺杂技术
在传统的溶液掺杂方案中，一层称为“Soot”的硅微粒首先被沉积在高纯度玻璃基质管的内壁（见图1）。Soot只有几十微米厚，但是其较大的表面积使其具有了多孔结构。这层硅微粒最终会形成光纤的纤芯。在硅微粒层沉积之后，玻璃管从制备预制棒的车床转移到另外一个装置上，这个装置中包含溶有稀土离子和共掺杂离子（如铝）的溶液。玻璃管在这个装置中经过一个指定的浸泡周期（一般为1个小时）后，再次被转移到车床上。接下来，硅微粒层通过高温熔结成玻璃体。每层掺杂都必须重复这个过程，这将会降低可用预制棒的产量，因为这个过程要连续转移玻璃管。因此，这种技术并不适用于多于3到4层的掺杂。
图1：改进型化学气相沉积（MCVD）设备用于制备光纤预制棒，图中正在沉积多孔硅层
现场掺杂MCVD技术与传统的溶液掺杂技术类似，但是其省去了在车床上转移和重新安装玻璃管这道工序，这使得整个过程更加高效、可靠，因而提高了预制棒的产量。这个过程首先也包括一个跟以前一样的沉积Soot层的工序。然后，溶液通过装配车床的尾端引入到Soot层中。一个小口径玻璃管的一端被送到里面直到靠近Soot层，而该管的另一端与一个软管相连，并通过一个泵输送液体。在整个过程中，玻璃管保持在原位不动。当Soot层被完全浸透后，导流管就会被移除，溶剂蒸发后就会留下稀土离子。当这一层被完全烘干后，掺杂的氧化粒子就会进入玻璃。最后，玻璃管被熔融坍塌形成固体的玻璃预制棒。重复这个过程，可以实现多层掺杂。
现场掺杂技术的灵活性，能够实现具有复杂结构的掺杂稀土的预制棒的制备，这是传统的溶液掺杂技术无法实现的。现场掺杂技术应用的一个例子是掺镱的双包层光纤，它具有一个突起的内包层环用于降低较高的数值孔径（NA），其数值通常大于0.15，这是由于高度掺杂所引起的（见图2）。通过现场掺杂技术，可以将NA值降低到0.06，因此可以减少激光的输出模式。
为了保证纤芯的导光性，在预制棒中需要一个大口径的内包层，它通常包含多个沉积层。磷和锗是在MCVD中常用的可以进行气相沉积的材料。然而，掺杂磷和锗的玻璃有残余的内应力，而且容易破碎。但是采用现场沉积技术，多个无应力的铝硅酸盐层可以被沉积形成内包层。例如，采用现场溶液掺杂技术，可以实现直径为400μm的掺镱纤芯光纤，包含14层铝硅酸盐的内包层（见图2）。该光纤被拉成双包层结构，能使掺镱光纤激光器实现约达80%的光-光转换效率。
图2：光纤的折射率轮廓图和界面图
化学坩埚沉积法
除了现场溶液掺杂技术，南安普顿大学光电子研究中心正在开发的第二项技术是化学坩埚沉积技术，该项技术用于低挥发性的掺杂材料的雾化与结合。目前开发的关注焦点是镧系螯合物（lanthanide-based chelate complex），它们在室温下为固态，在摄氏150~200℃之间会升华。目前，使用这些材料的沉积系统已经实现了商业化，这种系统最初是为了制造具有低掺杂稀土离子的通信光纤而设计的。因此，目前并未见到利用此系统开发用于高功率激光器应用的光纤的广泛报道，这可能是因为使用外部稀土传送系统的存在一定的难度。
在MCVD化学坩埚技术中，稀土掺杂物直接在车床上的MCVD玻璃套管的内部加热，非常靠近沉积区，这增加了多功能性而且沿着套管的长度方向保持了较好的均匀性（见图3）。 稀土和共掺杂离子放置在一个通过外部供电的电加热坩埚上面，温度精度控制在1℃以内。
图3：化学坩埚法制备光纤预制棒技术
镧系螯合物的高度挥发性与MCVD相结合，可以在相对较低的温度下（大约200℃）使稀土离子在气相状态下以高浓度掺杂到预制棒中。由于稀土离子和共掺杂离子（如铝和锗）会同时与二氧化硅沉积物结合，因此化学坩埚沉积技术的另一个优点是：与传统的溶液掺杂技术相比，在相同的掺杂水平下，化学坩埚沉积技术能明显改善稀土离子的聚集作用。这种新型的化学坩埚预制棒制备技术，可以实现广泛的掺杂物质的气相沉积，根据需要还可以灵活地改变加热温度至几百摄氏度，以产生足够的蒸汽。
参考文献：
1. Y. Jeong et al., Opt. Exp., 12, 25, 6088-6092 (2004).
2. J.E. Townsend et al., Electron. Lett., 23, 7, 329-331 (1987).
3. A.S. Webb et al., J. Non-Crystalline Solids, 356, 848-851 (2010).
4. A.J. Boyland et al., CLEO/QELS 2010 paper CThV7, San Jose, CA (May 2010).(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(1/28/2011) |
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