[发明专利]一种可见光波段石英荧光光纤及制备方法

说明书

本发明属于光纤制备技术领域，具体涉及一种可见光波段石英荧光光纤及制备方法，通过将改进的化学气相沉积(MCVD)与高温掺杂工艺结合或外部气相沉积(OVD)与溶液浸泡法结合，制备稀土离子掺杂的可见光波段(350‑750nm)石英荧光光纤。本发明的石英荧光光纤具有高折射率差，损耗低，稀土离子掺杂均匀，掺杂浓度可控，荧光波段宽，荧光量子产率高，光纤石英纯度高和机械性能优异等优点，可以广泛应用于辐射检测、电力传感、生物监测和荧光照明等领域。

技术领域

本发明属于光纤制备技术领域，涉及功能光纤，光纤传感，具体涉及一种可见光波段石英荧光光纤及制备方法，特别是一种具有高量子效率的可见光波段石英荧光光纤。

背景技术

荧光光纤，特别是发光范围在可见光波段的荧光光纤，其发光波长与传统光电检测器的最佳检测波长完美契合，非常有利于传感系统集成和降低成本。最近几年，特别是在电力传感领域中的局部放电检测方面，塑料荧光光纤由于其体积小、抗电磁干扰、探测灵敏度高等优点，已经在高压变压器(CN202110854291.0)、环网柜(CN201921900141.3)和开关柜(CN202011357088.4)等领域得到了广泛的应用。另外，塑料荧光光纤在温度检测(CN202110311576.X)、生物医疗(CN202022590690.4)和闪烁传感(CN201810946116.2)等方面也有很大的应用潜力。但是塑料荧光光纤主要是由聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)组成，机械硬度差，极易老化，以致其长期的工作稳定性低，影响整个系统的使用寿命。

石英荧光光纤由于其熔点高、机械硬度强、使用寿命长和传输损耗低等优势，刚好可以克服塑料荧光光纤所面临的挑战。设计并制备高荧光量子效率的石英荧光光纤，可实现在复杂恶劣环境下的荧光传感应用，提高整个传感系统的稳定性和使用寿命，具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有塑料荧光光纤机械硬度差、极易老化和传输损耗大等缺陷和不足，提供了一种可见光波段的石英荧光光纤及其制备方法，该石英荧光光纤具有机械硬度强、耐腐蚀、抗电磁干扰、荧光量子产率高、衰减时间短、物理化学性能稳定和使用寿命长等优点。

按照本发明的技术方案，所述可见光波段石英荧光光纤，包括芯层和包层，所述可见光波段石英荧光光纤的芯包比为80-98％；所述芯层的材质为稀土离子掺杂石英，所述稀土离子选自铈、铽、铕和钐中的一种或多种；所述包层的材质与稀土离子掺杂石英的折射率差为0.01-0.5。

本发明中芯层材料中掺杂的稀土离子为铈、铽、铕和钐四种稀土元素单掺或相互间组组合共掺；相比较其他稀土离子在可见光波段4f-4f跃迁禁阻的能级结构特性，上述四种稀土离子由于具有跃迁允许的4f-5d能级吸收和发射特性与稀土之间的能量转移特性，使石英荧光光纤荧光效率高，荧光范围广，可以完全覆盖可见光波段。

具体的，所述稀土离子可以通过稀土氯化物的形式掺杂。

进一步的，所述芯层的直径为0.1-2.0μm，所述包层的外径为0.1-2.1μm，光纤芯包比为80-98％，可以高效地耦合外界激发光源，提高荧光光纤的检测效率。

进一步的，所述稀土离子掺杂石英中，稀土离子的掺杂浓度为0.01-5.0mol％，石英中SiO₂的含量大于95mol％。

进一步的，所述包层的材质为低折射率石英或低折射率树脂；所述低折射率石英与所述稀土离子掺杂石英的折射率差为0.01-0.02，所述低折射率树脂(折射率为1.36-1.40)与所述稀土离子掺杂石英的折射率差为0.1-0.5。石英荧光光纤的数值孔径在0.1-0.5，极大地提高可见光在光纤内部的全反射效率，降低传输损耗。

进一步的，所述低折射率石英为掺氟石英，其中氟离子的掺杂浓度为0.5-5.0wt％。主要是利用活性很高的SiF₄作为前驱体材料，在1800℃下，与高纯氧共反应，形成掺氟石英包层。