[发明专利]一种光纤预制棒的掺杂装置及掺杂方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤制备技术，涉及一种光纤预制棒的掺杂装置及其方法，具体涉及一种利用有机金属螯合物作为掺杂剂和共掺剂的全气相光纤预制棒掺杂装置及方法。

背景技术

稀土掺杂特种光纤在光纤激光器、放大器和传感器中有着广泛的应用，并且最近几年得到了很大的发展，所用的掺杂剂是Nd、Er、Ge、Pr、Ho、Eu、Yb、Dy、Tm等原子序数在57～71的元素，可以单独掺杂某种稀土元素进行单掺，也可以联合掺杂多种稀土元素进行共掺。其特点是具有圆柱形波导结构，小芯径易实现高密度泵浦激射阈值低，比表面大散热性能好，其芯径大小与通信光纤匹配，耦合容量及效率极高，可使得传输光纤与有源光纤一体化。因此，稀土掺杂光纤对于包括光纤激光器、放大器和传感器在内的各种应用十分具有吸引力。随着集成光学、光纤通信、光纤传感、激光加工、激光武器、激光医疗等光纤激光应用领域的发展，对光纤激光的波长范围、光束质量、光束能量、偏振特性、频率线宽、稳定特性等性能提出了越来越高的要求。为了追求光纤激光更多性能的统一以及简化光源的设计和使用，使得作为光纤激光产生核心部分的稀土掺杂光纤已经不仅仅局限于普通的单模和多模光纤，出现了双包层稀土掺杂光纤、偏振保持稀土掺杂光纤、光子晶体稀土掺杂光纤、大模场稀土掺杂光纤、布拉格稀土掺杂光纤、多组分玻璃稀土掺杂光纤等。种类繁多、结构复杂和成分多样的稀土掺杂光纤在丰富和扩大激光器和放大器的应用范围和应用深度，推动稀土掺杂光纤及其产品不断产业化的同时，也对稀土掺杂光纤的性能提出了更高的要求，特别是要求掺杂光纤具有合适可控的掺杂浓度、更高的掺杂均匀性、更低的损耗、更好的界面特性、更精确的分布控制等。对稀土掺杂光纤提出更高的性能要求，就必然要求其制备方法和制备装置也随之有所改进，尤其是掺杂方法和掺杂装置。

稀土掺杂光纤预制棒的制备大体分为不含掺杂稀土成分的包层部分制备和掺杂稀土成分的纤芯部分制备两个步骤。虽然可以作为稀土离子掺杂基质的玻璃有石英玻璃、氧化物玻璃、氟化物玻璃、卤化物玻璃、硫系玻璃等多种，然而真正产业化发展的光纤材料也主要是石英玻璃，它以独特的综合性能优势被广泛应用在各种结构的光纤中。目前，石英光纤预制棒的制备主要采用化学气相沉积（CVD）的工艺，具体包括改进的化学气相沉积系统（MCVD）、等离子体化学气相沉积（PCVD）、管外气相沉积（OVD）、轴向气相沉积（VAD）。选择上述一种或者数种沉积工艺结合适当的稀土掺杂方法就能够制备出稀土掺杂光纤预制棒。为了研究和制备稀土掺杂光纤，各种各样的稀土掺杂预制棒制备方法以及他们的演变方法相继被开发出来，其中国外的一些制备方法公布如下：Miller等人的美国专利US4501602，MacChesney等人的美国专利US4616901，Berkey等人的美国专利US5236481，Bruce等人的美国专利US5609665，Mansfield等人的美国专利US4826288，DiGiovanni David John等人的欧洲专利EP1101744A2，Boivin David等人的欧洲专利EP233845A1，Harker Andrew Thomas等人的欧洲专利EP0822429；中国的一些方法公布如下：CN102153276和CN102086089A公开了一种基于MCVD的稀土掺杂预制棒制备方法；CN102108008A公开了一种基于VAD的稀土掺杂预制棒制备方法；CN1010331133A公开了一种利用溶胶凝胶法来制备稀土掺杂预制棒的方法；CN1558873A和CN102815866A公开了一种气液混合稀土掺杂预制棒制备方法。