阅读说明：本技术 一种制备有源光纤的离子溶液掺杂方法及其装置 (Ion solution doping method and device for preparing active optical fiber ) 是由 潘蓉 庞璐 王标 衣永青 沈一泽 武洋 于 2019-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种制备有源光纤的离子溶液掺杂方法及其装置。将一根内壁沉积有疏松层的石英反应管以竖直的方式固定在装置上,并通过本装置上下往复运动,向石英反应管内多次喷洒离子溶液。本装置采用硬质空心塑料管作为溶液的注入通道,空心塑料管的一端连接溶液储存器,另一端连接喷洒器,本方法采用角度可调、可往复移动式喷洒注入方式对有源光纤进行离子溶液掺杂,由于喷洒器进入反应管中喷洒,反应管各点接触的溶液浓度一样,解决了传统方法出现浸泡预制棒时离子溶液浓度不均的问题,进一步提高了光纤的合格率,由此降低了光纤损耗,提高了光纤激光器的光束质量。(The invention discloses an ionic solution doping method and device for preparing active optical fibers. A quartz reaction tube with a loose layer deposited on the inner wall is fixed on the device in a vertical mode, and ionic solution is sprayed into the quartz reaction tube for multiple times through the up-and-down reciprocating motion of the device. The device adopts a hard hollow plastic pipe as an injection channel of solution, one end of the hollow plastic pipe is connected with a solution storage device, the other end of the hollow plastic pipe is connected with a sprayer, the method adopts an angle-adjustable and reciprocating spraying injection mode to dope the active optical fiber with the ionic solution, the sprayer enters a reaction tube to spray, the concentration of the solution contacted with each point of the reaction tube is the same, the problem that the concentration of the ionic solution is uneven when a preform rod is soaked in the traditional method is solved, the qualification rate of the optical fiber is further improved, the loss of the optical fiber is reduced, and the beam quality of the optical fiber laser is improved.)

一种制备有源光纤的离子溶液掺杂方法及其装置

技术领域

本发明涉及光纤预制棒制备技术，特别是涉及一种制备有源光纤的离子溶液掺杂方法及其装置。

背景技术

随着激光技术的发展，激光器在军事上和民事上的应用越来越广泛，同时对于激光器的要求也越来越高，高质量、大功率、效率高是判别激光器优劣的重要标准。近年来，掺杂稀土离子的光纤激光器因为具有光束质量好、体积小、速度快、工作寿命长等优点，逐渐受到了大家的重视。并且已经广泛应用在了激光焊接领域，医疗领域，激光通信等众多领域。

光纤激光器中的核心部分是掺杂稀土离子光纤，而掺杂稀土离子的掺杂工艺分为两大类，液相掺杂法和气相掺杂法。液相掺杂法是通过将离子溶液对疏松层进行浸泡，使离子溶液中的离子被疏松层吸收，达到掺杂稀土离子的目的。

目前液相掺杂法，主要存在掺杂浓度不均，隔离层脱落两个主要问题，传统的溶液浸泡方式，不能合理控制离子位于各个位置的浓度，溶液注入预制棒后，离子自行扩散进入疏松层，由于疏松层的制备工艺问题，会导致反应管中疏松层的各个位置对于稀土离子的吸收速度有所不同，产生离子浓度不均，并且如果浸泡时间过长会导致疏松层结构被破坏，导致疏松层脱落。

发明内容

针对传统方法中，由于离子溶液浸泡注入方式引起的溶液浓度不均，进而影响光纤激光器的光束质量不好的缺点，本发明提供一种制备有源光纤的离子溶液掺杂方法及其装置。本发明通过采用角度可调、往复移动式离子溶液喷洒方式，克制离子浓度不均和疏松层易脱落问题，以达到提高光纤吸收均匀性，降低光纤损耗，提高光纤激光器的光束质量和光纤寿命的目的。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案是：一种制备有源光纤的离子溶液掺杂方法，其特征在于，采用角度可调、往复移动式的喷洒注入装置对有源光纤进行离子溶液掺杂，其步骤如下：

（1）、采用一根石英管作为沉积用的反应管，在制棒车床上对反应管内壁进行疏松层沉积，疏松层用于吸附溶液中的溶质离子。

（2）、将沉积有疏松层的反应管和与反应管相连的支撑管一同从制棒车床上取下，取下时反应管内通高纯惰性保护气体。

（3）、将反应管与支撑管固定在机床卡盘上，卡盘卡在支撑管中部位置，卡盘任意角度转动，从而调节反应管放置角度。

（4）、将一根固定在电动升降台上的空心塑料管一端连接喷洒器，然后沿支撑管轴向竖直伸入至反应管最下端，即为喷洒器的初始位置，空心塑料管的另一端连接一根导管，导管连接固定在离子溶液存储器里的溶液出口。

（5）、启动电动升降台上的电机驱动装置，电机驱动装置驱动电动升降台上的传动装置，使喷洒器在反应管内沿轴向匀速移动，同时打开离子溶液储存器与导管之间的管路开关，使离子溶液通过溶液出口到达导管，由喷洒器喷至疏松层表面。

（6）、当喷洒器达到指定位置或极限位置时，关闭离子溶液储存器与导管之间的管路开关，喷洒器停止喷洒离子溶液，或电机驱动装置驱动导轨上的电动升降台带动空心塑料管和喷洒器在反应管内沿轴向做反向运动，进行反复喷洒。

（7）、溶液喷洒完毕时，电机驱动装置带动喷洒器离开反应管内，电机驱动装置停止驱动，关闭电机驱动装置，松开机床卡盘，取下支撑管和反应管，将其安装在制棒车床上静置，烘干；至此，离子溶液掺杂完毕。

本发明所述的喷洒器喷洒离子溶液的流量范围控制在1ml/s-10ml/s。

本发明所述喷洒器步进速度范围控制在1mm/s-60mm/s。

本发明所述喷洒器进行1~10次喷洒。

本发明所述步骤（1）、（2）中，反应管长度为600±10mm，支撑管长度为500±10mm。

本发明所述步骤（2）中，反应管内疏松层沉积之后，反应管的内径在18 mm -19mm之间，支撑管内径为20mm。

本发明所述步骤（4）中，空心塑料管的长度为1100-1200mm，外径为9-10mm，内径为3-4mm，导管内径为9mm，喷洒器外径为14-15mm，内径为3-4mm。

本发明所述的一种制备有源光纤的离子溶液掺杂方法采用的喷洒注入装置，其特征在于，所述的喷洒注入装置包括溶液存储器、导管、喷洒器、空心塑料管、支撑管、反应管、电动升降台和导轨；其中溶液存储器固定于机架上端，将导管的一端连接于溶液存储器溶液出口上端处，导管的另一端连接空心塑料管的一端，空心塑料管的另一端安装喷洒器，然后穿过电动升降台上的预留孔进入与所述反应管连接的支撑管中；空心塑料管通过挡片固定在电动升降台上，电动升降台落座在导轨上，支撑管固定在机床卡盘上。

本发明所产生的有益效果是：本方法采用竖直式、可往复移动式喷洒注入方式对有源光纤进行离子溶液掺杂，由于喷洒器进入反应管中喷洒，反应管各点接触的溶液浓度一样，解决了传统方法出现浸泡预制棒时离子溶液浓度不均的问题，进一步提高了光纤的合格率，由此降低了光纤损耗，提高了光纤激光器的光束质量。并且由于可以控制溶液流速或喷洒器步进速度，以至控制光纤预制棒掺杂离子浓度，从而满足了各方面使用要求。

附图说明

图1为本发明实施例中采用喷洒注入装置结构示意图；

图2为本发明实施例中挡片和卡盘结构示意图；

图3为采用本发明制备的光纤预制棒掺杂截面图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参照图1，本实施例以较为常见的掺镱光纤预制棒的制作过程为例进行说明，其步骤如下：

（1）、采用一根石英管作为沉积用的反应管6，在反应管6内壁沉积隔离层，用于防止反应管6内的杂质离子进入芯层。

（2）、再对沉积有隔离层的反应管6进行疏松层沉积，得到待掺杂的且与支撑管连接在一起的反应管6，疏松层是未烧结、不透明、多孔状的沉积层，用于吸附溶液中的溶质离子。疏松层处于反应管6中，由于已知工艺，在沉积过程后，得到的是支撑管5与反应管6连在一起的整体石英反应管。

（3）、将待掺杂的且与反应管6连接的支撑管5固定在机床卡盘9上，将一根固定在电动升降台7上的空心塑料管4一端连接喷洒器3，然后沿支撑管5轴向***，喷洒器3***至反应管6最下端，即为喷洒器3的初始位置，空心塑料管4的另一端连接一根导管2，导管2连接固定在离子溶液存储器1里的溶液出口。

（4）、启动电动升降台7，电动升降台7带动空心塑料管4顶端的喷洒器3沿轴向运动进入反应管6内，同时打开氮气入口开关，打开离子溶液储存器1与导管2之间的管路开关，令离子溶液通过溶液出口进入导管2，到达顶端的喷洒器3喷出。

（5）、当喷洒器3达到指定位置或极限位置时，关闭离子溶液储存器1与导管2之间的管路开关，关闭氮气入口开关，喷洒器3停止喷洒离子溶液，电机驱动装置驱动导轨8上的电动升降台7带动空心塑料管4和喷洒器3做反向轴向运动，离开反应管6内；直到喷洒器3返回到初始位置，电机驱动装置停止驱动。

（6）、关闭电机驱动装置，松开机床卡盘9，取下支撑管5和反应管6，将其安装在制棒车床上静置，烘干；至此，离子溶液掺杂完毕。

将一根内壁沉积有疏松层的石英反应管以竖直的方式固定在装置上，并通过本装置上下往复运动，向石英反应管内多次喷洒离子溶液。喷洒注入装置采用硬质空心塑料管作为溶液的注入通道，空心塑料管的一端连接溶液储存器，另一端连接喷洒器，该溶液储存器对溶液进行压力控制，匀速输送溶液，喷洒器侧面包含至少一个细孔或细缝，使匀速流出的溶液形成一个或多个喷洒面。固定反应管的电动升降台可以带动喷洒装置沿轴向进行轴向往复运动。固定空心塑料管的挡片和固定支撑管的卡盘保持同轴（如图2所示），旋转卡盘时，可使喷洒器与反应管同步转动，任意调节反应管放置角度。

本实施例所选反应管6长度为600mm左右，反应管内始终保持高纯惰性保护气体流通。所选支撑管5长度为500mm 左右。

本实施例的反应管6的内壁厚度在18.5mm左右，支撑管5内径为20mm；反应管6沉积疏松层后的弯曲度要小，以便空心塑料管4和喷洒器3进入反应管内。

本实施例所选空心塑料管4的长度为1150mm左右，外径为9.5 mm左右，内径为3.5mm左右，喷洒器3外径为14.5mm左右，内径为3.5mm左右。对于导管2外径无要求，长度要求与实际仪器摆放位置有关，必须保证整个工作工程中导管无被拉扯现象。

本实施例步骤（3）中的空心塑料管4和喷洒器3采用去离子水进行洁净处理。

本实施例离子溶液的流量控制为5ml/s，尽量控制小流量，避免溶液与疏松层产生过大的相互力作用，导致疏松层结构被破坏，疏松层脱落。

本实施例设置步进速度为30mm/s。

本实施例步骤（5）中，当离子溶液注入完毕，会有少许液体残留在管路内，需要通过吹扫，将管路内清理干净，避免污染或阻塞管路。

本实施例步骤（6）中，离子溶液被疏松层吸收的同时，应避免疏松层脱落，所以浸泡时间不宜过长。

参照图1，在实施例中采用的喷洒注入装置包括溶液存储器1、导管2、喷洒器3、空心塑料管4、支撑管5、反应管6、电动升降台7和导轨8；其中溶液存储器1固定于机架上端，将导管2的一端连接于溶液存储器1溶液出口上端处，导管2的另一端连接空心塑料管4的一端，空心塑料管4的另一端安装喷洒器3，然后穿过电动升降台7上的预留孔进入与所述反应管6连接的支撑管5中；空心塑料管4通过挡片14固定在电动升降台7上，支撑管5通过机床卡盘9卡住或松开。

喷洒注入装置工作原理：电动升降台7与空心塑料管4的连接方式为孔与轴的过盈配合，即电动升降台7带有方向为垂直的孔，将空心塑料管4***其中并固定，将电动升降台7与空心塑料管4连接为一个整体。电动升降台7自身带有电机驱动装置，电机驱动装置驱动电动升降台7在导轨8上沿竖直方向上下移动，进入或离开反应管6。在水平方向上制作挡片14，使电动升降台7不会在水平方向上有任何移动，始终保持在支撑管中心，不会触碰到支撑管。同时实时接收电动升降台上的速度传感器通过计算得到喷洒器3的位置信息。

导管2可由橡胶之类具有弹性的材料制作。与导管2一端连接的溶液出口为不锈钢材料，其与溶液储存器1焊接在一起。离子溶液的送料速度通过控制输送氮气进行控制，氮气进入溶液储存器1，由于压力作用将离子溶液液面压低，溶液通过溶液出口流出，进入管道。

喷洒注入装置初始时，应为竖直状态完成，调整电动升降台7，使得喷洒器3顶端处于机床卡盘9的上方，便于支撑管5的安装；将得到的支撑管5用机床卡盘9将其固定，使反应管6与地面垂直。反应管6竖直放置，反应管6内未被疏松层吸附的过量溶液，由重力作用即时流出反应管。

采用本发明制备的预制棒结构如图3所示，该结构包括石英反应管管壁10、隔离层11、芯层12和中空部分13。

掺其它稀土离子的光纤预制棒和其它种类共掺离子光纤预制棒的制作过程可以参照上述实施例，需要添加相应的离子溶液输送管路、气体阀门、流量计等，其它操作与上述实施例相同。