水解－熔融法制備摻鐿光子晶體光纖的研究

胡前生，周桂耀，夏長明

水解－熔融法制備摻鐿光子晶體光纖的研究

胡前生，周桂耀，夏長明

（華南師范大學廣東省微納光子功能材料與器件重點實驗室，廣東廣州510006）

采用水解－熔融法制備高濃度摻鐿雙包層石英光子晶體光纖，通過對該制備方法及原理的探索研究，根據(jù)98.3%SiO2、0.2%Yb2O3、1.5%Al2O3（摩爾比）的配方進行設(shè)計，制備出高濃度鐿離子摻雜的石英基雙包層光子晶體光纖。該方法可有效提高稀土離子的摻雜均勻性。

Yb3＋摻雜；光子晶體光纖；光纖激光器

1 引 言

光纖激光器以其結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高，光束質(zhì)量高及方便維護等優(yōu)點，成為了當前激光世界研究領(lǐng)域的最大熱點之一［1－2］。受光纖非線性效應(yīng)，熱損傷，散熱等因素的影響，進一步提高單個光纖激光器的輸出功率已經(jīng)非常困難。1996年，光子晶體光纖［3］的出現(xiàn)為光纖激光器發(fā)展帶來了新的機遇，光子晶體光纖具有許多奇異的光學特性［4－5］，如無截止單模、低限制損耗、大模場面積等。當前研究最多的是摻Y(jié)b3＋光纖激光器，Yb3＋是能級結(jié)構(gòu)最簡單的稀土激活離子，其結(jié)構(gòu)能級圖［6］如圖1所示。

從圖可知，Yb3＋僅有一個基態(tài)和一個激發(fā)態(tài)，沒有上轉(zhuǎn)換，避免了激發(fā)態(tài)吸收和多聲子吸收等能量損耗，轉(zhuǎn)化效率高，材料中的熱負荷比較低，因此，摻Y(jié)b3＋的激光器在國內(nèi)外的研究發(fā)展迅速。

圖1 Yb3＋三能級結(jié)構(gòu)示意圖

2009年，美國的IPG公司［7］報道了最大輸出功率為10 kW的單模光纖激光器，輸出波長為1070 nm，光束為完美高斯光束。目前，IPG多模光纖激光器連續(xù)輸出功率已高達50 kW，正向百千瓦量級的功率邁進。國內(nèi)的光纖激光器起步較晚，與國際水平還有很大的差距，2009年4月，樓祺洪等人［8］采用武漢烽火公司制備的大芯徑摻鐿雙包層光纖，雙端泵浦獲得1.75 kW的連續(xù)激光輸出，斜率效率為76%，光纖長度為13 m，其內(nèi)包層為D形，纖芯直徑為43μm。2011年，北京工業(yè)大學激光工程研究院李平雪等人［9］報道了一種摻鐿雙包層光子晶體光纖激光器，輸出波長為980 nm，采用波長為915 nm的LD泵浦源泵浦，斜率效率最大僅為17.8%。2012年，國防科技大學光電科學與工程學院新體系結(jié)構(gòu)固態(tài)激光實驗室［10］利用主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)的國產(chǎn)全光纖激光器，實現(xiàn)525W高功率輸出。

然而，多數(shù)商業(yè)摻雜光纖主要是利用改進的化學氣相沉積—Modified Chemical Vapor Deposition（MCVD）法生產(chǎn)制備的。2010年中國電子科技集團公司第四十六研究所衣永青等人［11］采用高溫氣相摻雜法制備了高摻石英光纖，摻雜濃度僅為0.6%，該工藝屬于標準的MCVD工藝，MCVD工藝在摻雜尺寸與摻雜濃度均有很大的缺陷。目前，摻雜光纖的制備方法已向非化學氣相沉積法［12－14］發(fā)展。非化學氣相沉積法制備的光纖摻雜濃度高、摻雜均勻性好，本文采用水解－熔融法制備鋁鐿共摻石英玻璃，對該工藝的關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究，最終制備出摻鐿雙包層光子晶體光纖。

2 光纖的制備工藝

光纖的制備流程如圖2所示，根據(jù)理論研究，結(jié)合石英玻璃的基質(zhì)組分的配比范圍，以及高功率光纖激光器對光纖性能的要求，配方設(shè)計為（摩爾比：98.3%SiO2，0.2%Yb2O3，1.5%Al2O3）。

按配方通過化學反應(yīng)計算，精確稱量氯化鋁、六水氯化鐿，使其先后溶解于去離子水中（電導率12MΩ／L），用潔凈的玻璃棒攪拌使之成為均一透明溶液，用氣流將SiCl4帶入溶液，SiCl4與水反應(yīng)，生成硅酸Si（OH）4，隨著反應(yīng)的進行，單硅酸在溶液中逐漸聚合而成二分子、三分子，最后形成不溶解的多分子聚合物，得到一種膠體。

圖2 水解－熔融法制備光纖流程示意圖

通過控制參與反應(yīng)的SiCl4的量來得到按配方配比的混合粉末，將膠狀物加熱烘干，除去水分和殘余的HCl，得到混合均勻的白色粉末，整個過程的化學反應(yīng)如下：

經(jīng)過高溫煅燒，酸洗，干燥等步驟除雜即得到混合均勻的粉末，將粉末研磨到合適的大小后利用等離子體熔融，得到摻雜濃度高，摻雜均勻的摻雜石英玻璃。根據(jù)設(shè)計的雙包層光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)加工出規(guī)格尺寸合適的內(nèi)包層和外包層石英玻璃管，采用堆積法制備光子晶體光纖的預制棒，在高溫條件下將制備好的預制棒拉制成為規(guī)定尺寸的光纖，在線涂覆低折射率的紫外光固化涂料作為光纖的涂覆層。

3 實驗結(jié)果與討論

通過對水解－熔融法的研究和完善，并對用該工藝制備的摻雜石英玻璃棒進行的測試發(fā)現(xiàn)，用這種方法制備的光纖預制棒纖芯直徑可以隨意控制，纖芯直徑可以做到15.0 mm以上，圖3為水解－熔融法制備出來的摻雜石英玻璃棒，最近，華中科技大學用MCVD法制備的大芯徑摻雜預制棒，采用了多次沉積的方式，實現(xiàn)了有源摻雜區(qū)域的直徑僅為3 mm［15］，由此可見，用水解－熔融法制備的摻雜石英玻璃的濃度高，尺寸大，適合做大纖芯。取一段此工藝制備的摻雜石英玻璃棒，利用光斑法判斷玻璃的均勻性，圖4為976 nm波長的泵浦光通過玻璃棒時的輸出光斑圖像中可以看出，輸出的光斑均勻，由此可知玻璃的均勻性很好。

圖3 水解熔融法制備的摻雜石英玻璃棒

圖4 摻雜石英玻璃棒的光斑

基于堆積拉絲工藝，我們成功制備出高摻雜濃度的雙包層摻鐿光子晶體光纖，圖5為顯微鏡拍攝的光纖端面圖。光纖的具體參數(shù)如下：

纖芯直徑：50μm

內(nèi)包層尺寸：143.5μm

光纖直徑：280μm

Yb3＋摻雜摩爾濃度：0.2 mol%

包層泵浦吸收＠976 nm＞12 dB／m

圖5 雙包層摻鐿光子晶體光纖

4 結(jié) 論

基于水解－熔融法制備出了摻雜濃度高，均勻性好的鋁鐿共摻石英玻璃，采用堆積拉絲工藝制備出摻雜摩爾濃度為0.2%的摻鐿雙包層光子晶體光纖。此種方法操作簡單，為其他的稀土離子摻雜石英玻璃的制備提供了一種新的方法。

［1］ Limpert J，Liem A，Reich M，et al.Low-nonlinearity single-transverse-mode ytterbium-doped photonic crystal fiber amplifier［J］.Optics Express，2004，12（7）：1313－1319.

［2］ Limpert J，Deguil-Robin N，Manek-H?nninger I，et al. High-power rod-type photonic crystal fiber laser［J］.Optics Express，2005，13（4）：1055－1058.

［3］ Knight JC，Birks T A，Russell P S-J，et al.All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding［J］. Optics Letters，1996，21（19）：1547－1549.

［4］ Birks TA，Knight JC，Russell PS-J.Endless single-mode photonic crystal fiber［J］.Optics Letters，1997，22（13）：961－963.

［5］ Knight JC，Birks TA，Cregan R F，et al.Largemode area photonic crystal fiber［J］.Electronics Letters，1998，34（13）：1347－1348.

［6］ SV Marchese，C R Baer，A G Engqvist，et al.Femtosecond thin disk laser oscillatorwith pulse energy beyond the 10－microjoule level［J］.Opt.Express，2008，16（9）：6397－6407.

［7］ http：／／news.thomasnet.com／fullstory／Single-Mode-Fiber-Laser-produces-bright-10-kW-output-562108（2009 10kw）

［8］ Lou Qihong，He Bing，Xue Yuhao，et al.1.75 kW output using Yb doped double clad fiber laser［J］.Chinese Journal of Laser，2009，36（5）：1277.（in Chinese）樓祺洪，何兵，薛宇豪，等.1.75kW國產(chǎn)摻Y(jié)b雙包層光纖激光器［J］.中國激光，2009，36（5）：1277.

［9］ Li Pingxue，Zhang Xuexia，Liu Zhi.980 nm double-clad photonic crystal fiber laser［J］.Laser＆Infrared，2011，41（2）：141－144.（in Chinese）李平雪，張雪霞，劉志.980 nm雙包層光子晶體光纖激光器［J］.激光與紅外，2011，41（2）：141－144.

［10］Wang Xiaolin，Gong Zhiqun，Zhou Pu，etal.525W Output All-fiber laser using homemade fiber［J］.Chinese Journal of Laser，2012，39（4）：185.（in Chinese）王小林，龔智群，周樸，等.國產(chǎn)全光纖激光器實現(xiàn)525W高功率輸出［J］.中國激光，2012，39（4）：185.

［11］Yi Yongqing，Wang Dongbo，Liang Xiaohong，et al.Study of high-concentration Tm3＋-doped optical fibers using high-temperature vapor-phase technique［J］.Laser＆Infrared，2010，40（3）：264－267.（in Chinese）衣永青，王東波，梁小紅，等.高溫氣相摻雜法制備高摻銩石英光纖［J］.激光與紅外，2010，40（3）：264－267.

［12］Renner-Erny R，DiLabio L，Luthy W.A novel technique for active fibre production［J］.Optical Materials，2007，29（8）：919－922.

［13］Koponen J J，Petit L，Kokki T，et al.Progress in direct nanoparticle deposition for the development of the next generation fiber lasers［J］.Optical Engineering，2011，50（11）：111605－111611.

［14］Renner-Erny R，Di Labio L，Luthy W.A novel technique for active fibre production［J］.Optical Materials 2007，29（8）：919－922.

［15］Chen Gui，Jiang Zuowen，Peng Jinggang，et al.Study of air-clad large-mode-area ytterbium doped photonic crystal fiber［J］.Acta Phys.Sin，2012，61（14）：144206.（in Chinese）陳瑰，蔣作文，彭景剛，等.空氣包層大模場面積摻鐿光子晶體光纖研究［J］.物理學報，2012，61（14）：144206.

Study of the ytterbium doped photonic crystal fiber by hydrolysis-melting

HU Qian-sheng，ZHOU Gui-yao，XIA Chang-ming
（Laboratory of Nanophotonic Functional Materials and Devices，South China Normal University，Guangzhou 510006，China）

The fabrication of the high-concentration ytterbium doped double clad photonic crystal fiber is reported，which ismade by Hydrolysis-melting.The high-concentration ytterbium doped double clad photonic crystal fiber is fabricated successfully by improving the manufacture technique and principle according to the designed formula：98.3%Silica、0.2%Ytterbia、1.5%Alumina（molar ratio）.The process can improve the homogeneity of the concentration effectively.

ytterbium-doped；photonic crystal fiber； fiber laser

TN253

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2013.11.14

1001-5078（2013）11-1265-03

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）（批準號：2010CB329604）資助。

胡前生（1988－），男，在讀碩士，研究方向為微結(jié)構(gòu)光纖的制備。

2013-04-16；

2013-05-05