[发明专利]一种红外硫系玻璃陶瓷光纤及其制备方法

说明书

本发明公开了一种红外硫系玻璃陶瓷光纤及其制备方法，该陶瓷光纤包括纤芯和包层，纤芯的组成为稀土离子掺杂的基质硫系玻璃材料，包层的组成为软化温度高于纤芯玻璃的熔融温度的多组分硫系玻璃材料，纤芯内含有BaCl₂、YCl₃或LaCl₃纳米晶。该陶瓷光纤在热处理后仍能保持良好的透光性能，对中红外发光特性有显著的提升作用，有望实现光纤中红外波段的宽带光增益，适用于中红外光纤激光器；该陶瓷光纤在拉制过程中，包层玻璃与纤芯玻璃之间能够紧密贴合，有效避免光纤拉制过程中两者之间气泡的产生，同时避免传统管棒法拉制硫系玻璃陶瓷光纤时的不可控析晶和异常析晶，最终制备得到高透过率、具有明显中红外发光特性增强的硫系玻璃陶瓷光纤。

技术领域

本发明涉及硫系光纤的制备方法，具体是一种红外硫系玻璃陶瓷光纤及其制备方法。

背景技术

中红外激光器在军事对抗、医疗健康、大气遥感、材料加工等军用和民用领域具有重要的应用价值，在过去几十年间受到了广泛的关注。目前，光学参量振荡器(OPO)和量子级联激光器(QCL)是使用较广泛的中红外激光光源。然而OPO结构复杂、体积庞大，QCL热噪声大、光束质量不高，这两种光源难以应用于星载空间通信、野外环境检测等特殊环境中。相比之下，以光纤为增益介质的中红外激光器在光束质量、热稳定性、转换效率等方面具有显著的优势，特别是全光纤化中红外激光器因结构紧凑、易于维护、可柔性操作等优点，有望成为下一代中红外激光器的有力竞争者。

作为中红外光纤激光器核心增益介质的掺杂特种玻璃光纤由激活离子和基质材料组成。稀土离子因在中红外波段具有丰富的发射能级，而成为实现中红外激光输出最具有潜力的激活离子。近年来，稀土掺杂玻璃光纤激光的研究涉及多种基质材料，主要包括氧化物玻璃(石英玻璃、锗酸盐和碲酸盐玻璃)、氟化物玻璃、硫系玻璃等。氧化物玻璃具有较高的声子能量且其光纤在3.0μm以上的传输损耗呈指数级增加，导致在氧化物玻璃光纤中难以实现3.0μm以上中红外激光输出。以ZBLAN玻璃为主的氟化物玻璃具有较低的声子能量，被认为是优异的中红外光纤激光基质材料。但是其易潮解且4μm以上传输损耗较大，目前仅在ZBLAN光纤中实现了最长波长为3.95μm的激光输出。硫系玻璃具有非常低的声子能量和较宽的红外透过区域，且硫系光纤在4μm以上具有较低的传输损耗，在中红外光纤激光器中具有重要的应用。到目前为止，稀土离子掺杂的硫系玻璃和光纤所产生的发射已经扩展至8μm，理论上说明了基于硫系玻璃的稀土离子掺杂光纤在中红外范围内的激光输出可行性。然而，硫系光纤面临着稀土离子溶解度低、光纤单位长度增益低、光学转换效率不高等问题，目前仅在Nd³⁺掺杂的硫系光纤中实现了近红外激光输出，在中红外波段主要集中于荧光发射，未见中红外激光研究的报道。因此，人们致力于开发更有效的方法来增强稀土掺杂硫系光纤的发光性能。

玻璃陶瓷结合了玻璃良好的可塑性、独特的可调谐光学特性和晶体强大的晶体场、高效的发光特性等优势，被认为是中红外光纤激光的理想增益介质。在稀土掺杂玻璃陶瓷体系中，最为典型的是含有氟化物晶体的玻璃陶瓷。由于硫系玻璃在石英玻璃管中熔制，氟化物的引入会严重腐蚀石英玻璃管，因此很难制备含有氟化物纳米晶的硫系玻璃陶瓷。氯化物对石英玻璃腐蚀性小，并且氯化物晶体(如BaCl₂,LaCl₃,YCl₃等)具有比氟化物晶体更低的声子能量(～200cm^-1)和更高的稀土离子掺杂浓度(高达25mol％)，为研制稀土掺杂氯化物纳米晶复合硫系玻璃光纤实现中红外光纤激光输出开辟了新的研究途径。传统的光纤制备方法为管棒法，使用这种方法，芯层玻璃和包层玻璃在成分、软化和熔融温度方面较为相似。但这种方法并不适用于制备硫系玻璃陶瓷光纤，因为采用此方法拉制硫系玻璃陶瓷光纤时，芯层玻璃和包层玻璃都需经历软化过程，拉制温度远高于芯层玻璃的结晶温度，很难避免芯层玻璃的不可控结晶，导致纤芯严重失透，损耗高，不利于实际应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种高透过率、具有明显中红外发光特性增强的红外硫系玻璃陶瓷光纤及其制备方法。