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。
B>?Y("E P:k(=CzZ@J 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]
i&,U);T Ut-6!kAm 现场溶液掺杂技术
#|XEBOmsQ 3i(k6)H$4 在传统的溶液掺杂方案中,一层称为“Soot”的硅微粒首先被沉积在高纯度玻璃基质管的内壁(见图1)。Soot只有几十微米厚,但是其较大的表面积使其具有了多孔结构。这层硅微粒最终会形成光纤的纤芯。在硅微粒层沉积之后,玻璃管从制备预制棒的车床转移到另外一个装置上,这个装置中包含溶有稀土离子和共掺杂离子(如铝)的溶液。玻璃管在这个装置中经过一个指定的浸泡周期(一般为1个小时)后,再次被转移到车床上。接下来,硅微粒层通过高温熔结成玻璃体。每层掺杂都必须重复这个过程,这将会降低可用预制棒的产量,因为这个过程要连续转移玻璃管。因此,这种技术并不适用于多于3到4层的掺杂。
~~1~ _0?e *vhm 4Sg!NPuu7& 图1:改进型化学气相沉积(MCVD)设备用于制备光纤预制棒,图中正在沉积多孔硅层
A2&&iL=j/ 现场掺杂MCVD技术与传统的溶液掺杂技术类似,但是其省去了在车床上转移和重新安装玻璃管这道工序,这使得整个过程更加高效、可靠,因而提高了预制棒的产量。这个过程首先也包括一个跟以前一样的沉积Soot层的工序。然后,溶液通过装配车床的尾端引入到Soot层中。一个小口径玻璃管的一端被送到里面直到靠近Soot层,而该管的另一端与一个软管相连,并通过一个泵输送液体。在整个过程中,玻璃管保持在原位不动。当Soot层被完全浸透后,导流管就会被移除,溶剂蒸发后就会留下稀土离子。当这一层被完全烘干后,掺杂的氧化粒子就会进入玻璃。最后,玻璃管被熔融坍塌形成固体的玻璃预制棒。重复这个过程,可以实现多层掺杂。
b=T+#Jb savz>E& 现场掺杂技术的灵活性,能够实现具有复杂结构的掺杂稀土的预制棒的制备,这是传统的溶液掺杂技术无法实现的。现场掺杂技术应用的一个例子是掺镱的双包层光纤,它具有一个突起的内包层环用于降低较高的数值孔径(NA),其数值通常大于0.15,这是由于高度掺杂所引起的(见图2)。通过现场掺杂技术,可以将NA值降低到0.06,因此可以减少激光的输出模式。
7IJb$af:; &SN$D5U' 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。
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