一種摻雜單晶多芯光纖的制備方法及摻雜單晶多芯光纖與流程
本發明涉及的是一種光纖，特別涉及一種摻雜單晶多芯光纖。本發明還涉及這種光纖的制造方法。
背景技術：
單晶光纖也被稱為晶體纖維或纖維晶體，它是將晶體材料生長為纖維狀的單晶體，直徑在幾微米到數百微米之間，它兼備塊狀晶體和一般石英光纖的功能。與塊狀晶體相比，單晶光纖具有體積小、集成度高、能與石英光纖相耦合等特點，與一般石英光纖相比具有質量高、物理效應強、功能全、能更好地與各類可見與非可見光波段的激光器相匹配，能用于大功率激光的傳輸等優點，在光電子學領域中具有重要的實用價值。
普通的純凈單晶體功能有限，為得到所期望的物理性質，常需要在晶體中摻入雜質元素，例如在非線性光學鈮酸鋰晶體中摻入mg元素能增強抗激光損傷能力，摻入鈦、氫元素能提高晶體折射率；在半導體硅晶體中摻入一定量的磷，得到n型半導體，摻入一定量的鋁或稼，得到p型半導體；在晶體中摻入鑭系元素能得到熒光特性材料等。
通常的晶體光纖生長方法有，(1)導模法，涉及到的文獻和報道有：[1]norioohnishiandtakafumiyao,anovelgrowthtechniqueforsingle-crystalfibers:themicro-czochralski(μ-cz)method,jpn.j.appl.phys.,28(2):l278-l280；1989；[2]dae-hoyoon,ichiroyonenaga,tsuguofukuda,norioohnishi,crystalgrowthofdislocation-freelinbo3singlecrystalsbymicropullingdownmethod,j.cryst.growth,142:339-343,1994；[3]鐘鶴裕,侯印春,杈寧三,陳杏達,王人淑，鈮酸鋰單晶光纖的生長，硅酸鹽學報，19(6):527-531,1991。該類生長方法為熔體從帶有小孔或凸起的模具中引出，饋入籽晶后進行定向生長。其主要優點是能連續生長較長及特殊截面的光纖，但受模具材料限制，難以生長高熔點的晶纖，且難以避免污染問題。(2)激光加熱基座法，涉及到的文獻和報道有：[4]yalinlu,dajania.iyad,andr.j.knize,fabricationandcharacterizationofperiodicallypoledlithiumniobatesinglecrystalfibers,integratedferroelectrics,90:53-62,2007；[5]日本專利productionofsinglecrystalopticalfiber,bibliographicdata:jph0375292(a)―1991-03-29。該方法是利用co2激光加熱形成局部熔區，饋入籽晶后連續生長出單晶纖維。該方法優點是，不需要模具和高溫下無污染，能生長出高熔點光纖，生長速率快，但是受到生長條件的限制，往往只能制成短光纖，且難以控制光纖直徑。(3)直接成型法，涉及到的文獻和報道有：[6]p.rudolph,t.fukuda,fibercrystalgrowthfromthemelt,crystalresearchandtechnology,34:3–40,1999；[7]j.ballato,t.hawkins,andp.foyetal.siliconopticalfiber.opticsexpress.200816:18675-18683；[8]yi-chunghuang,andjau-shengwangetal.preformfabricationandfiberdrawingof320nmbroadbandcr-dopedfibers,opticsexpress.2007,15:14382-14388。該方法是利用毛細管效應使得熔體一次性結晶固化成晶體光纖，或是通過管棒法與拉絲技術得到晶體芯光纖。然而該類制備方法只能制成短光纖，且纖芯難以保證為單晶體。(4)其他生長方法，如日本專利(fibrousoxideopticalsinglecrystalanditsproduction,bibliographicdata:jph08278419(a)―1996-10-22)給出了一種鈮酸鋰晶體芯光纖的制備方法，該方法是利用外延生長技術在單晶光纖表面生長一層低折射率氧化物單晶包層。在該晶體光纖制備方法中，外延層氧化物熔點必須比單晶光纖熔點低，同時受外延層熔體、提拉機構等限制，生長的晶體光纖較短，且外徑尺寸較大。還有，如美國專利(methodofcladdingsinglecrystalopticalfiber,patentnumber,5077087；claddingsforsinglecrystalopticalfibersanddevicesandmethodsandapparatusformakingsuchcladdings,patentnumber,5037181)描述了一種摻雜鈮酸鋰單晶光纖的制備方法，該方法通過高溫處理使得涂覆在單晶光纖表層的氧化物涂層擴散進入到光纖中，起到降低單晶光纖表面層折射率。在該晶體光纖制備方法中，晶體光纖包層中離子呈拋物線分布，其包層折射率分布由外至內也會逐漸遞減，會導致光纖損耗增加。另外，這種方法可控性差，擴散程度不均勻，擴散深度不宜控制，產品性能穩定性較差。此外，中國專利(一種微結構包層單晶光纖及制備方法，cn102298170a；一種具有布拉格結構包層單晶光纖及制備方法,cn102253445a)公開了一種微結構包層和晶體芯構成的單晶光纖制備方法。該方法為，首先制備出空心包層套，將微尺寸單晶體插入到空心包層套中，然后加熱拉伸包層套使纖芯被包層套裹住，制成微結構包層單晶光纖。該光纖制備方法的缺點在于，其一，由于表面靜電吸引作用，很難將長尺度的微單晶體插入到包層套微孔內；其二，石英玻璃軟化溫度點與晶體熔點的大差異，導致在拉伸包層套過程中出現纖芯熔體揮發產生不連續或缺失，以及石英溶解于纖芯熔體中，產生雜質污染和阻礙纖芯熔體的結晶過程，形成不了單晶體；其三，包層套拉伸溫度梯度遠高于促使纖芯熔體結晶形核、長大形成單晶的溫度梯度力，不符合單晶生長的動力學條件。
綜上所述，前面所涉及到的晶體光纖，或為無包層結構，或纖芯難以保證為單晶體，而且光纖中通常只含有一個純凈晶體的纖芯，不涉及離子摻雜，因此所制備的晶體光纖功能受限，無法滿足進一步的光纖傳感、新型纖維集成器件需求。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種工藝簡便實用，制得的光纖石英包層外徑及單晶芯徑可控、結晶質量均勻的摻雜單晶多芯光纖的制備方法。本發明的目的還在于提供一種兼備塊狀晶體和一般石英光纖的功能的摻雜單晶多芯光纖。
本發明的摻雜單晶多芯光纖的制備方法為：
步驟一：通過堆積束法或石英棒打孔法獲得多孔光纖預制棒，并用氫氧焰對多孔光纖預制棒一端進行加熱密封，然后配合抽氣、充氣裝置，利用光纖拉絲塔在1900℃以上的溫度將多孔光纖預制棒拉制成多孔毛細管；
步驟二：將裝有摻雜多晶粉末的鉑金內坩堝嵌套于密封的鎢外坩堝中，一起放置于高溫馬弗爐內以稍高于多晶粉末熔點的溫度加熱致內坩堝中的摻雜多晶粉末完全熔化處于過熱狀態，然后通過外坩堝密封蓋上一凸起內孔向外坩堝內部中充入惰性氣體，維持恒定正壓力，多孔毛細管一端從外坩堝密封蓋上的另一凸起內孔插入到內坩堝熔體中，多孔毛細管另一端與外部抽氣裝置相連，使得毛細管孔內形成恒定負壓，在充氣正壓與抽氣負壓作用下，熔融液體快速充滿毛細管的多孔中，降溫消除光纖內應力，熔體固化變成多晶，得到摻雜多晶多芯光纖；
步驟三：將制備的摻雜多晶多芯光纖放置于帶有旋轉夾具的水平光纖拉錐機上，光纖在橫向旋轉的同時，微加熱裝置沿導軌從一端向另一端移動加熱光纖，微加熱裝置中心溫高于纖芯多晶體熔點但低于石英軟化點溫度，此時摻雜多晶多芯光纖中的纖芯被加熱成熔體，外部包層保持石英玻璃固態，在微尺寸毛細管內孔及溫度梯度動力作用下纖芯熔體結晶形核、長大生成單晶體，制成摻雜單晶多芯光纖；
步驟四：當夾具兩端之間的光纖纖芯完成單晶化后，移動未單晶化的光纖部分至旋轉夾具兩端，重復步驟一至三的過程，整根摻雜多晶多芯光纖中的纖芯都實現單晶化。
本發明的摻雜單晶多芯光纖的制造方法還可以包括：
1、獲得多孔光纖預制棒的方法是：先選取石英毛細棒，用堆積技術形成堆積束，將堆積束中兩個及以上位置上的石英毛細棒替換為相同材質的石英毛細管，然后將堆積束裝入薄壁石英玻璃管中，構成復合式多孔光纖預制棒，并用氫氧焰對多孔光纖預制棒一端進行加熱密封。
2、獲得多孔光纖預制棒的方法是：在一段實心石英棒上打兩個及以上通孔，然后在石英棒一端焊接上同等外徑尺寸的薄壁石英管，構成焊接式多孔光纖預制棒，并用氫氧焰對多孔光纖預制棒另一端進行加熱密封。
本發明的摻雜單晶多芯光纖是：石英包層內含有兩個晶體纖芯，兩個晶體纖芯位置成非對稱或對稱分布。
本發明的摻雜單晶多芯光纖是：石英包層內同時含有三個晶體纖芯，三個晶體纖芯位置成等腰三角形或一字形分布。
本發明的摻雜單晶多芯光纖是：石英包層內同時含有四個晶體纖芯，四個晶體纖芯位置成長方形分布。
本發明的摻雜單晶多芯光纖是：石英包層內同時含有五個晶體纖芯，五個晶體纖芯位置成對稱分布。
本發明的摻雜單晶多芯光纖，根據纖芯材質以及摻雜離子不同，還可以實現不同單晶纖芯和不同離子摻雜的多芯光纖。
本發明的摻雜單晶多芯光纖為同一石英包層內含有兩個及以上的摻雜單晶纖芯，且纖芯晶體熔點低于石英包層軟化點。
本發明提供了一種兼備塊狀晶體和一般石英光纖的功能，把塊狀摻雜晶體所具有的優良物理、光學特性與光纖的導光性與幾何形狀有機結合在一起，可應用于光纖傳感、新型纖維集成器件的摻雜單晶多芯光纖。本發明還提供了一種制備工藝簡便實用，制得的光纖石英包層外徑及單晶芯徑可控、結晶質量均勻的摻雜單晶多芯光纖的制造方法。
與現有技術相比，本發明的優點為：
1、制作的摻雜單晶多芯光纖兼備塊狀晶體和一般石英光纖的功能，把塊狀摻雜晶體所具有的優良物理、光學特性與光纖的導光性及幾何形狀有機結合在一起，可以制成多種功能的光纖光學器件，在新型光纖傳感和光纖通信領域有廣泛應用。
2、制作的摻雜單晶多芯光纖石英包層內同時含有多個晶體纖芯，可以靈活的實現多種纖芯排列的摻雜單晶光纖，制備工藝簡便實用。
3、在摻雜單晶多芯光纖制備過程中，首先制備多孔毛細管，然后利用高壓技術將熔體填充到多孔中，最后利用加熱后處理方式實現纖芯單晶化。基于這種工藝過程，可以方便實現不同單晶纖芯材質和摻雜的多芯光纖的制備，晶體缺陷少，生長的單晶芯光纖較長。
上述光纖制造技術的發明，拓寬了摻雜單晶多芯光纖的種類，特別對具有摻雜的單晶多芯光纖的制備方法而言，制作工藝簡單，低廉的成本將有助于把它推向市場。
附圖說明
圖1為實施例一所示的非對稱形雙芯摻雜單晶光纖截面示意圖；
圖2至圖3為實施例一所示的兩種非對稱形雙孔光纖預制棒截面示意圖；
圖4為實施例一所示的非對稱形雙孔毛細管截面示意圖；
圖5為實施例一所示的非對稱形雙芯摻雜多晶體光纖制備示意圖；
圖6為圖5中所示的雙坩堝局部放大圖；
圖7(a)為圖6中所示的外坩堝的密封蓋主視圖，圖7(b)為圖6中所示的外坩堝的密封蓋俯視圖；
圖8為圖6中所示的外坩堝的密封墊結構示意圖；
圖9(a)為圖6中所示的外坩堝上的密封螺帽主視圖，圖9(b)為圖6中所示的外坩堝上的密封螺帽俯視圖；
圖10為實施例一所示的非對稱形雙芯摻雜多晶體光纖中纖芯單晶化的工藝示意圖；
圖11為圖10中所示的沿光纖軸向方向上的被加熱光纖芯內的溫度場分布示意圖；
圖12(a)至與12(e)為其它的摻雜單晶多芯光纖截面示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述：
說明書附圖上各附圖標記的含義為：1-摻雜單晶纖芯；2-石英包層；3-石英玻璃毛細棒；4-石英玻璃毛細管；5-薄壁石英管；6-石英玻璃填充棒；7-石英棒；8-通孔；9-毛細孔；10-石英包層；11-高純氬氣瓶；12-壓力顯示表；13-橡皮管；14-爐子加熱元件；15-鎢管；16-加熱爐；17-多孔毛細管；18-橡皮管；19-真空泵；20-氧化鋁纖維墊；21-鎢坩堝；22-鉑金坩堝；23-熔體；24-氧化鋯保溫砂；25-外螺紋；26-內孔；27-外螺紋；28-圓錐形孔；29-內螺紋；30-內孔；31-密封帽小孔；32-內螺紋；33-光纖旋轉夾具；34-微電加熱爐；35-摻雜多晶體多芯光纖；36-導軌；37-單晶芯；38-石英包層；39-纖芯熔區；40-多晶芯；41-多晶芯與熔區的固液界面；42-單晶芯與熔區的固液界面；i-復合式非對稱形雙孔光纖預制棒；ⅱ-焊接式非對稱形雙孔光纖預制棒；ⅲ-非對稱形雙孔毛細管；ⅳ-雙坩堝；ⅴ-外坩堝密封蓋；ⅵ-外坩堝密封墊；ⅶ-外坩堝上的密封螺帽；v-微加熱爐橫向移動速度；t1-單晶區溫度；t2-熔區溫度；t3-多晶區溫度。
實施例一
圖1是本發明的第一種鎂離子摻雜鈮酸鋰單晶雙芯光纖的橫截面示意圖，纖芯1為鎂離子摻雜鈮酸鋰單晶，纖芯位置呈非對稱分布，包層2為石英，纖芯1的折射率大于包層2的折射率。
在本發明的制造過程中用到了內、外雙坩堝。結合圖6，外坩堝21采用鎢材質，上面帶有鎢材質密封蓋ⅴ，二者之間填充耐高溫(1800℃)的氧化鋁纖維密封墊ⅵ，外坩堝密封蓋ⅴ上含有一密封螺帽ⅶ，多孔毛細管17穿過密封螺帽ⅶ上的小孔31和坩堝密封蓋ⅴ上的圓錐形孔28后，插入到內坩堝的熔體23中，多孔毛細管與圓錐形孔之間的空隙采用氧化鋁纖維墊20進行密封。內坩堝22采用鉑金材質，里面盛裝摻雜多晶粉，內、外坩堝之間的縫隙填充有氧化鋯保溫砂24，起到保溫和固定內坩堝22作用；結合圖7，坩堝密封蓋ⅴ含有兩凸起的內孔，其中一凸起內孔帶外螺紋25和微小內孔26，高純惰性氣體從孔26中注入到外坩堝21內部，另一凸起內孔帶外螺紋27和圓錐形內孔28，圓錐形內孔28填充有氧化鋁纖維密封墊20，坩堝密封蓋ⅴ帶有內螺紋29，它與坩堝21上的外螺紋配合密封連接；結合圖8，氧化鋁纖維密封墊ⅵ上帶有兩圓形孔30，其中一圓孔與密封蓋ⅴ上的小孔26相通，另一圓孔與密封蓋ⅴ上的圓錐形孔28相通；結合圖9，密封螺帽ⅶ帶有一小孔31，光纖17穿過此孔，螺帽內表面帶有內螺紋32，它與外坩堝密封蓋ⅴ上凸起內孔的外螺紋27配合密封連接。
結合圖2至圖5、圖10和圖11，實施例一所示的鎂離子摻雜鈮酸鋰單晶雙芯光纖的制備方法包含以下步驟：
1)選取長度為700mm外徑為1mm的石英玻璃毛細棒3，密排六方堆積形成堆積束，將堆積束中的中心位置和一個非中心位置上的石英毛細棒替換為同等長度、內外徑尺寸
2)將摻雜有微量氧化鎂的同成分鈮酸鋰多晶粉(li/nb＝48.6:51.4)放置于鉑金坩堝22中，然后嵌套于鎢坩堝21內，一起放入高溫馬弗爐16中，放置于馬弗爐內的雙孔毛細管17一端穿過坩堝密封蓋ⅴ上的圓錐形孔28后插入到鈮酸鋰多晶粉內，毛細管另一端穿過馬弗爐后通過軟管18與外部抽氣裝置19相連，帶有內螺紋的鎢管15一端與坩堝密封蓋ⅴ上的外螺紋25相連，鎢管15另一端穿過馬弗爐后通過軟管13與外部高純高壓氬氣瓶11相連接；將馬弗爐升溫到稍高于鈮酸鋰晶體熔點1250℃，但低于石英軟化溫度，使得坩堝中的摻雜多晶粉體完全熔化處于過熱熔融狀態，此時多孔毛細管仍保持石英玻璃固態，其一端沒入到內坩堝的熔體23中；通過高純氬氣瓶11、壓力顯示表12、軟管13和鎢管15，向外坩21內部充入氣體，維持恒定正壓力0.2×106mpa以上；通過真空泵19和軟管18，對多孔毛細管孔17內部抽氣，形成恒定負壓0.5×105mpa以上，在充氣正壓與抽氣負壓作用下，熔融液體23快速充滿毛細管內的多孔中，維持正壓和負壓值不變，以程序控制降溫方式降至室溫，消除光纖內應力，纖芯熔體固化變成了多晶，形成摻鎂鈮酸鋰多晶體雙芯光纖35；
3)將摻雜多晶體雙芯光纖35放置于有旋轉夾具33的水平光纖拉錐機上，如圖10所示，光纖以～10r/min的速度旋轉，微電加熱爐34在步進電機帶動下，沿導軌從一端向另一端以v＝30～50mm/h速度緩慢移動加熱光纖；微加熱裝置中心溫稍高于鈮酸鋰纖芯多晶體熔點1250℃，但低于石英軟化點溫度1730℃。以其中一個纖芯為例，如圖11所示，摻雜多晶體雙芯光纖中的纖芯被加熱成熔區39，兩側各有一個固液界面41和42，而外部包層38仍保持石英玻璃固態；在加熱的纖芯區，熔區39與單晶體37之間的固液界面42的溫度梯度為(t2-t1)，該區域內，在微尺寸毛細管內孔及溫度梯度動力作用下，纖芯熔體結晶形核、長大生成單晶體37，完成了纖芯的單晶化過程；另一固液界面41為微加熱爐向前移動時熔區39與多晶體40之間的界面，該區域的溫度梯度為(t1-t3)，這里t2＞t1＝t3；當夾具33兩端之間的光纖纖芯完成了單晶化后，移動未單晶化的光纖部分至旋轉夾具兩端，多次重復上述過程，這樣整根摻雜多晶體雙芯光纖中的纖芯都實現了單晶化。
實施例二
結合圖3和圖4，本發明的另外一種鎂離子摻雜鈮酸鋰單晶雙芯光纖的制備方法為，在一段直徑
根據本發明所闡述的摻雜單晶多芯光纖的制備方法，還可以實現纖芯不同排列結構的單晶多芯光纖。例如：根據摻雜單晶雙芯光纖在包層圓形截面上的位置不同可以構成非對稱形雙芯光纖(如圖1所示)，對稱形雙芯光纖(如圖12(a)所示)或者是其它任意角度位置關系的雙芯光纖。相同的工藝方法可以制備出其它種類的摻雜單晶多芯光纖，如等腰三角形三芯光纖(如圖12(b)所示)，一字形三芯光纖(如圖12(c)所示)，長方形四芯光纖(如圖12(d)所示)，對稱形五芯光纖(如圖12(e)所示)等。
根據本發明所闡述的摻雜單晶多芯光纖的制備方法，根據纖芯材質以及摻雜離子不同，還可以實現不同單晶纖芯和摻雜的多芯光纖。例如：具有非線性效應的摻鎂鉭酸鋰單晶多芯光纖(摻入物質為氧化鎂，制備過程中，馬弗爐和光纖拉錐機上電加熱爐溫度稍高于鉭酸鋰單晶熔點，但低于石英軟化溫度)；摻磷或鋁的半導體硅單晶多芯光纖(摻入物質為磷或鋁單質，制備過程中，馬弗爐和光纖拉錐機上電加熱爐溫度稍高于硅單晶熔點，但低于石英軟化溫度)；具有激光特性的摻釤氟化鈣單晶多芯光纖等(摻入物質為三氟化釤，制備過程中，馬弗爐和光纖拉錐機上電加熱爐溫度稍高于氟化鈣單晶熔點，但低于石英軟化溫度)。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！