[发明专利]一种均匀掺杂石英玻璃棒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤预制棒制造方法技术领域，具体为一种均匀掺杂石英玻璃棒的制备方法。

背景技术

掺稀土光纤在光放大器、激光器和传感领域具有广泛的应用。光纤纤芯中的稀土元素作为活性介质发挥作用。不同的稀土元素如Er、Yb、Tm、Ho、Nd、Sm等可以产生覆盖大范围波长的激光输出。光纤放大器的高量子效率和宽增益带宽在通信领域具有革命性的应用。光纤激光器适于材料加工、测距、医疗、传感及军事应用。各研究机构对掺稀土光纤的制备工艺做了大量的研究，以期改进稀土掺杂浓度、分布均匀性、光纤光学性能。

稀土光纤预制棒的制造方法最常用的是溶液法。美国专利US5474588涉及一种VAD法制备石英粉体再将粉体浸入含稀土离子的溶液，然后干燥、烧结成预制棒。欧洲专利EP1043281利用MCVD工艺以氧气作为载体，将四氯化硅原料及各种掺杂剂送入旋转并被加热的石英管内，气体混合物在高温下发生反应生成石英粉体沉积在管内壁上，再将反应管浸入含有稀土的溶液中使稀土离子吸附在粉体上，最后干燥并烧结成实心透明预制棒。该方法由于难以控制芯区掺杂元素的均匀性，容易出现管内气泡、结晶、管软化变形，导致烧结失败，并且溶液法制备的预制棒轴向及径向均匀性都很难控制。

另外有中国专利CN102515500公开一种凝胶法制备掺稀土光纤预制棒的方法，工艺过程较复杂使得预制棒均匀性和生产一致性较难保证。中国专利CN1255109公开一种采用高纯沉积二氧化硅粉末与去离子水混合成溶胶的方法，包括在预定的温度干燥二氧化硅，再与去离子水聚乙烯醇和氟化铵在球磨机中混合成凝胶；干燥后在氯气和氦气环境下干燥去水，最后烧结成管状；该方法未涉及芯部元素掺杂问题。专利CN10103311A利用溶胶凝胶工艺和旋涂法在石英管内壁旋涂成膜然后烧结成棒，也存在轴向和径向均匀性差的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的不足，提供一种改善光纤结构均匀性的掺杂石英玻璃棒的制备方法。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

包括沉积、溶液浸泡、脱水、烧实和高温熔缩步骤，

先进行沉积：采用管内沉积法在石英玻璃衬底管内通入包括有四氯化硅和氧气的原料气体，在石英玻璃衬底管内壁表面先后形成内包层和芯层的石英玻璃粉体；

沉积完毕后进行溶液浸泡：将沉积有石英玻璃粉体的衬底管浸入含有金属离子的混合溶液中；

溶液浸泡后进行脱水：包括去除衬底管石英玻璃粉体中的游离水，还包括去除该石英玻璃粉体中的化学结合水和羟基；先取出吸附有溶液的衬底管用微波辐射加热脱去游离水，先取出吸附有溶液的衬底管用微波辐射加热脱去游离水，然后用微波将衬底管加热至800℃到1200℃，整个脱水过程中都同时向管内通入Cl₂和O₂混合气体脱去石英玻璃粉体结合水和羟基，Cl₂的流量是O₂的2到10倍，且Cl₂的流量大于50sccm；

再进行烧实：包括在1700℃到2000℃，向管内通入He和O₂使得石英玻璃粉体玻璃化，He流量为10sccm到100sccm，O₂流量为50sccm到500sccm；最后进行高温熔缩：在2000℃到2300℃，保持管内压力0.1Bar到0.4Bar，Cl₂流量10sccm到30sccm，O₂流量50sccm到100sccm，将衬底管和玻璃化石英玻璃粉体熔缩成透明实心的石英玻璃基质掺杂预制棒。

按上述方案，微波辐射时间为1min到30min，微波的频率范围是1.0GHz到2.45GHz，微波辐射功率为0.5kW至20kW，微波干燥脱去游离水、结合水和羟基，微波辐射时同时通入Cl₂和O₂混合气体。

按上述方案，沉积时在热作用下使原料气体转化为纯SiO₂或掺杂P/F的SiO₂粉体层附着在石英玻璃衬底管内壁表面形成内包层，通过在1200℃至1400℃的温度范围内，在管内继续沉积含有GeO₂和/或P₂O₅的石英玻璃粉体层，该粉体层中的GeO₂浓度为3mol％到15mol％，形成芯层；所述的各粉体的粒径分布范围为10nm至200nm。