[发明专利]用于高功率光纤激光器的磷酸盐硅酸盐全玻璃混杂光纤

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于高功率光纤激光器的玻璃基质，特别是一种使用稀土掺杂的磷酸盐玻璃作为光纤纤芯基质，硅酸盐玻璃作为光纤包层基质，属于光纤及激光技术领域。

背景技术

光纤激光器是以掺杂稀土元素的光纤为增益介质的激光器，通过掺杂不同的稀土元素，如饵（Er），镱（Yb），铥（Tm），钬（Ho），钕（Nd）等，光纤激光器的工作波段覆盖了从紫外到中红外。与其他激光器相比，光纤激光器具有激光工作阈值低，能量转化率高、输出光束质量好、结构紧凑稳定、无需光路调整、散热性能好、寿命长和无需维护等鲜明特点，因此得到快速发展以及广泛地应用。

商用的石英光纤，目前已经能输出很高的功率。它的内部主要由三层结构组成，中央是纤芯，它与内包层之间的数值孔径相差不大，所以，纤芯组成的稍微变动，譬如去掉纤芯组成中稀土元素，内包层的玻璃组成就能达到设计要求。但是内包层和外包层之间的数值孔径，一般设计要求比较大，可达到0.5左右，内包层玻璃组成的稍微变动，不能达到对外包层理想的要求。所以目前商用的石英光纤就不得不用使用其他的材料，譬如塑料来作为它的外包层材料。由于玻璃和塑料的特性迥异，给它的焊接和应用带来了很多问题。随着功率的进一步提高，塑料的不耐高温的缺陷越来越突出。比较塑料，玻璃的耐高温性能明显高得多。因此，生产高功率全玻璃光纤的重要性越来越迫切。

我们已经在生产高功率全玻璃光纤上做了一些探索，并申请了相应的技术专利“用于高功率光纤激光器的硅酸盐全玻璃光纤”。在这专利中，在不损害光纤的环境稳定性的前提下，硅酸盐玻璃组成经过了最优化调整，能够有效地代替塑料作为光纤的外包层。

比较硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃基质本身具有它特有的优势：1）稀土离子的高掺杂性。这个特性使得单位长度的磷酸盐玻璃光纤能获得更高的输出功率和增益，于是减少了活化光纤的长度。活化光纤长度的减少，又能进一步抑制光纤中一些不被期望的非线性效应，譬如受激拉曼散射，受激布里渊散射等等。2）光子暗化效应的抑制。伴随着泵浦功率的逐步提高，石英光纤中光子暗化效应逐渐显现出来，造成了输出光的功率和质量的大幅下滑。已经有学者的研究报告显示，即使在高的稀土离子的掺杂浓度下，磷酸盐玻璃光纤也显示出了显著的光子暗化现象的抑制效应。磷酸盐玻璃的劣势也是显而易见的：1）低的化学稳定性。容易在大气环境下产生化学组成和结构的变化，导致光纤的激光性能相应劣化。2）与石英光纤的困难的焊接。由于与石英光纤有着截然不同的物化性能，磷酸盐玻璃光纤与石英玻璃光纤之间的焊接是相当困难的。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有高的光子暗化效应阻力的，环境稳定的，适合于稀土离子掺杂的，以及易于与石英光纤焊接的高功率全玻璃光纤激光器。

本发明通过以下技术方案加以实现的。

一种用于高功率光纤激光器的磷酸盐硅酸盐全玻璃混杂光纤，其特征在于分别使用五氧化二磷P₂O₅或与石英光纤玻璃中相同的结构基团的二氧化硅SiO₂作为玻璃结构的主单元，并添加能够改变玻璃物理化学性能的碱金属氧化物，碱土金属氧化物，中间体氧化物，还有稀土氧化物来分别制备作为此种高功率玻璃光纤纤芯和内外包层的磷酸盐及硅酸盐玻璃。

本发明中的碱金属氧化物包括氧化锂（Li₂O），氧化钠（Na₂O），氧化钾（K₂O）氧化铯（Cs₂O）；碱土金属氧化物包括氧化镁（MgO），氧化钙（CaO），氧化钡（BaO）；中间体氧化物一般指得是三氧化二铝（Al₂O₃）；稀土氧化物包括氧化镱（Yb₂O₃）和氧化铒（Er₂O₃）。

本发明所述的磷酸盐玻璃纤芯的化学组成中，五氧化二磷P₂O₅、碱金属氧化物、碱土金属氧化物，中间体氧化物和稀土氧化物的分子数百分比为：五氧化二磷的含量在50%至75%，碱金属氧化物不大于15%，碱土金属氧化物在10%至30%，中间体氧化物不大于25%，稀土氧化物不大于10%。

本发明所述的硅酸盐玻璃包层的化学组成中，二氧化硅SiO₂、碱金属氧化物，碱土金属氧化物和中间体氧化物的分子数百分比为：二氧化硅的含量在30%至70%，碱金属氧化物在5%至30%，碱土金属氧化物在5%至30%，中间体氧化物不大于30%。