耐辐照的Er-Yb-P-Ce-Nb共掺光纤及其制备方法

本发明涉及光纤制造领域，具体涉及一种耐辐照的er-yb-p-ce-nb共掺光纤及其制备方法。

背景技术：

1、铒镱共掺石英光纤激光器或放大器由于具有体积小、重量轻、电光转换效率高等优势，在空间通讯、激光雷达等方面具有重要应用价值。然而，激光器或放大器在太空中极易受到高能粒子及射线辐射的影响，导致激光器或放大器的损耗急剧增加，激光输出功率及斜率效率大幅下降。而研究表明，在辐照过程中，器件内铒镱共掺光纤中损耗的增加是影响光纤激光器输出功率下降的主要原因。

2、为提高光纤的耐辐射性能，国内外研究人员开展大量研究工作并提出相应的解决办法。现有技术提高光纤耐辐射性能的方案主要包括：1)对光纤预制棒的芯棒成分进行优化，主要为共掺ce、ge等元素(参考文献：ieee photonics journal,2022,14(4):1-5.)；2)对光纤预制棒的制备工艺进行优化，主要为采用纳米颗粒掺杂等技术更好地分散稀土离子防止团簇，因此可以少掺甚至不掺铝磷等辐照敏感元素(参考文献：j.lightwavetechnol.34,4981-4987(2016))；3)对光纤本身进行载氢或载氘预处理等(参考文献：ieeephotonics technology letters,2008,20(17):1476-1478.)。这些方案均存在着一些问题，包括：1)成分优化中过量的ce会造成铒镱共掺光纤的激光性能下降，且大量ce、ge元素的引入会导致光纤纤芯折射率急剧增加，劣化激光光束质量；2)纳米颗粒掺杂技术中稀土离子的掺杂浓度要求小于1000ppm，过低的掺杂浓度导致其激光性能较差(参考文献：optics express,2012,20(3):2435-2444.)；3)对光纤本身进行载氢或载氘处理，由于载入的气体分子很小，在普通环境下极易从纤芯中扩散出去，导致其耐辐射性能随时间减弱甚至失效，这种现象在太空环境(真空)中更为明显。尽管在一些研究中通过特殊光纤结构的方法减少气体逸出，但这类光纤制备工艺极为复杂。

3、现有提高光纤耐辐射性能的方法大多为在光纤制备过程中对预制棒进行改性，包括成分调控、预处理等，例如专利cn112094052公开了一种通过对掺镱光纤预制棒进行载氘、预辐照、热退火的预处理方法，该方法能够在对光纤激光性能影响较小的前提下提高其耐辐射性能。但是针对光纤预制棒的预处理方法需要对光纤的生产拉制过程进行调整，耗时长且工艺复杂。此外，由于非光纤生产商没有条件开展类似工作，因此该方法不具备普适性。专利cn113105112b通过直接对增益光纤进行载氢处理，可以大幅提升光纤的耐辐照性能。然而为了抑制氢气外溢，需要在载氢后在10 20分钟内采用剥涂覆设备剥除光纤有机涂覆层，然后将裸光纤拉直，在裸光纤表面涂上一层碳涂覆层，形成耐辐照增益光纤。然而，剥除光纤有机涂覆层会大幅降低光纤的力学性能，且该方法只适用于米级耐辐照光纤的小批量制备，不适用于数百米级长光纤的大批量制备。专利cn113917599b公开了一种大模场单模耐辐照铒镱共掺光纤及其制备方法，通过在纤芯中引入ce、f，减少铒镱共掺光纤在高能粒子辐照条件下缺陷、色心的数量，降低光纤的辐致损耗，提高铒镱共掺光纤的耐辐照性能；采用外包层为下陷掺氟层，防止内包层泵浦光的泄露；通过引入碳薄膜涂覆层抑制光纤中氢气扩散，进而提高铒镱共掺光纤的抗辐照加固稳定性。然而，这种光纤的制备工艺和波导结构极为复杂，从内到外依次包含铒镱共掺纤芯层(3层)、纯石英内包层(1层)、掺氟外包层(1层)、碳薄膜涂覆层(1层)、聚合物保护层(1层)，共计7层。由于常规商用无源光纤通常只有4层(从内到外依次包含掺锗纤芯、纯石英内包层、低折射率有机外包层、高折射率有机涂覆层)。因此，专利cn113917599b公开的铒镱共掺有源光纤在和常规商用无源光纤熔接时会面临模场不匹配、熔接损耗大等难题。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术存在的不足和缺陷，本发明提供了一种耐辐照的er-yb-p-ce-nb共掺光纤及其制备方法。通过优化纤芯材料成分(共掺变价离子ce3+/4+和nb3+/4+/5+)结合光纤预处理(载氘-激光泵浦-抽真空)方法，不仅可以有效提高铒镱共掺光纤的耐辐射性能，还具有工艺简单和普适性等特点，同时对光纤原有激光性能和力学性能不产生明显负面影响。

2、第一方面，本技术提供一种耐辐照的er-yb-p-ce-nb共掺光纤，包括由内至外依次排布的纤芯、内包层、外包层和涂覆层，其特点在于，所述纤芯是由er-yb-p-ce-nb共掺的二氧化硅玻璃构成，所述内包层由为纯石英玻璃材料构成，所述外包层是由低折射率的掺氟丙烯酸酯材料构成，所述涂覆层是由高折射率的丙烯酸酯材料构成。

3、优选的，所述纤芯的组分范围为：er:0.17～0.20wt％，yb:3.5～3.9wt％，p:10～12wt％，ce:0.2～0.8wt％，nb:0.01～0.02wt％，si+o：83.08～86.12wt％。

4、优选的，所述纤芯的组分范围为er:0.17～0.18wt％，yb:3.5～3.6wt％，p:11.5～12wt％，ce:0.78～0.8wt％，nb:0.01～0.02wt％，si+o：83.4～84.05wt％。

5、优选的，所述纤芯掺杂离子为铒离子er3+，镱离子yb3+，磷离子p5+，铈离子ce3+/4+和铌离子nb3+/4+/5+。

6、优选的，在剂量率为0.1krad/h的伽马辐射条件下，辐射诱导增益变化的绝对值(|rigv|)小于0.009db/krad。

7、另一方面，本发明还提供一种制备上述耐辐照的er-yb-p-ce-nb共掺光纤，其特点在于，包括步骤如下：

8、s1.制备预处理前的铒镱共掺光纤；

9、s2.对步骤s1得到的铒镱共掺光纤进行渗氘处理；

10、s3.对步骤s2得到的光纤进行激光泵浦处理；

11、s4.对步骤s3泵浦处理后的光纤进行抽真空处理。

12、进一步，所述s1.制备预处理前的铒镱共掺光纤，具体包括：

13、s1.1：准备工作，采用六氟化硫和氧气对沉积管内壁进行化学抛光处理；按照理论纤芯成分配制er3+、yb3+、ce3+、nb5+共掺的醇溶液；

14、s1.2：一次沉积，采用mcvd通入三氯氧磷和四氯化硅先沉积一层低磷含量(p2o5:8～10mol％)磷硅酸盐疏松体；

15、s1.3：浸泡掺杂，将步骤s1.2的疏松体在包含er3+、yb3+、ce3+、nb5+的醇溶液中浸泡1-2小时，采用氮气吹扫干燥；

16、s1.4：二次沉积，在步骤s1.3的掺杂疏松体基础上再沉积一层高磷含量(p2o5:14～16mol％)磷硅酸盐疏松体；

17、s1.5：脱水，向步骤s1.4的掺杂疏松体通入氯气，以及三氯氧磷和氧气的混合气体进行脱羟处理，沉积管加热温度为800～1000℃；

18、s1.6：玻璃化和管塌，加热步骤s1.5沉积管至1600℃以上实现玻璃化，然后快速加热2200℃以上将沉积管塌缩成实心棒；

19、s1.7：光纤拉制，将步骤s1.6的实心棒经套棒和八边形光学加工后，采用光纤拉丝塔拉制成铒镱共掺光纤。

20、进一步，所述s1.1中按照理论成分配制er3+、yb3+、ce3+、nb5+共掺的醇溶液，溶液中四个共掺离子的质量占比满足er：yb：ce：nb＝1：(19.4～21.2)：(4.3～4.7)：(0.05～0.11)。

21、进一步，所述s2中渗氘处理的气氛为氘气与氦气的混合气体，其中氘气占混合气体的体积比为50％～100％，压力为4～8mpa，温度为25～80℃，所述载气处理的时间为12～48小时。

22、进一步，所述s3中激光泵浦处理的光源为355nm纳秒脉冲光纤激光器，泵浦时间为10-50h，所述激光泵浦的单脉冲能量为10-50μj，所述激光泵浦的脉冲重频为100-500hz。

23、进一步，所述s4中抽真空处理的温度为25-80℃，压力为0.001～0.01pa，时间为24-72h。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

25、1)本技术提供的一种耐辐照铒镱共掺光纤，纤芯材料主要为er-yb-p-ce-nb共掺二氧化硅玻璃。该纤芯材料通过引入变价离子ce3+/4+和nb3+/4+/5+，可以大幅提升铒镱共掺光纤在辐射过程中的辐射耐受性，且对光纤激光效率的负面影响小。

26、2)本技术提供的一种耐辐照铒镱共掺光纤的制备方法，在光纤预制棒制备过程中采取二步沉积方式：先在沉积管(纯石英玻璃)上沉积一层低磷含量(p2o5:8～10mol％)的磷硅酸盐疏松体，避免二者的热膨胀系数差异过大。浸泡掺杂后再沉积一层高磷含量(p2o5:14～16mol％)的磷硅酸盐疏松体。众所周知，由于磷硅酸盐玻璃和纯石英玻璃的热膨胀系数差异过大，高磷掺杂的光纤预制棒在制备和光学加工过程中易炸裂。通过二次梯度沉积工艺可以避免磷硅酸盐疏松体在溶液浸泡过程中脱落，以及预制棒在后续玻璃化和管塌、八边形光学加工过程中发生炸裂。

27、3)本技术提供的一种耐辐照铒镱共掺光纤的制备方法，通过依次对光纤进行渗氘、激光泵浦、抽真空预处理可以进一步提升铒镱共掺光纤在辐射过程中的辐射耐受性，且对光纤激光效率的负面影响小。该方法具有普适性且方便快捷，光纤制造商或光纤使用者均可采用该方法提升铒镱共掺光纤的抗辐射性能。

28、4)在相同辐射条件下，采用本发明制备的铒镱共掺光纤辐射诱导增益变化的绝对值(|rigv|<0.009db/krad)比常规商用铒镱共掺光纤辐射诱导增益变化的绝对值(|rigv|>0.09db/krad)低一个数量级以上。

29、5)应用本发明制备的铒镱共掺光纤还具备激光斜率效率高、背景损耗低、在太空等真空环境中可长时间稳定使用等优点。