一种近红外波段宽带发射稀土掺杂铋酸盐光纤玻璃及其制备方法
阅读说明：本技术 一种近红外波段宽带发射稀土掺杂铋酸盐光纤玻璃及其制备方法 (Near-infrared band broadband emission rare earth doped bismuthate optical fiber glass and preparation method thereof ) 是由 陈卫东 王传杰 张鹏 魏敏 张桂林 张明立 于 2021-02-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种近红外波段宽带发射稀土掺杂铋酸盐光纤玻璃及其制备方法,其解决了现有对于给定的玻璃基质,在单一泵浦光的激励下,得到的近红外波段光谱存在着放大带宽范围小或增益范围存在局限性的技术问题,按照摩尔百分比,该铋酸盐光纤玻璃包括以下原材料：74～75mol％的Bi-2O-3,19～20mol％的B-2O-3,4～5mol％的Na-2O,0.3～0.5mol％的Er-2O-3,0.8～1.2mol％的Yb-2O-3,0.2～0.4mol％的Pr-6O-(11),本发明还公开了近红外波段宽带发射稀土掺杂铋酸盐光纤玻璃的制备方法,可广泛应用于光纤通信材料领域。(The invention provides near-infrared band broadband emission rare earth doped bismuthate optical fiber glass and a preparation method thereof, which solve the technical problem that the near-infrared band spectrum obtained by a given glass substrate under the excitation of single pump light has small amplification bandwidth range or limited gain range, and the bismuthate optical fiber glass comprises the following raw materials in mol percent: 74 to 75 mol% of Bi 2 O 3 19 to 20 mol% of B 2 O 3 4 to 5 mol% of Na 2 O, 0.3-0.5 mol% Er 2 O 3 0.8 to 1.2 mol% of Yb 2 O 3 0.2 to 0.4 mol% of Pr 6 O 11 The invention also discloses a preparation method of the near-infrared band broadband emission rare earth doped bismuthate optical fiber glass, which can be widely applied to the field of optical fiber communication materials.)
技术领域
本申请属于光纤通信材料领域，具体涉及一种近红外波段宽带发射稀土掺杂铋酸盐光纤玻璃及其制备方法。
背景技术
掺稀土光纤放大器是目前研究最为成熟、应用最为广泛的一种光放大器，它是利用掺杂在光放大器传输介质中稀土离子的能级跃迁，将激光二极管(LD)泵浦的光能量转化到信号光上，实现对信号光的放大功能。掺杂不同稀土离子可以实现不同波段光信号的放大。其中，掺铒光纤放大器工作波长位于C波段(1530～1565nm)，它对应光纤的最低损耗区，这个波段最早被应用于光纤通信。而对于已铺设的G.652光纤而言，其零点色散在1.3μm附近，色散影响小，不需要采用色散补偿技术，可以节约大量投资。因此，近年来，众学者和研究人员提出通过将稀土离子Er3+、Pr3+、Ho3+和Tm3+等几种离子单掺或共掺的形式来获得不同波段的近红外波段宽带发射。然而对于给定的玻璃基质，在单一泵浦光的激励下，目前得到的近红外波段光谱存在着放大带宽范围小或增益范围存在局限性的现象，导致其放大范围不能覆盖光信号传输的最低损耗区(1.5μm)和零色散区(1.3μm)，这些也都限制了掺稀土玻璃在光纤通信中的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种近红外波段宽带发射稀土掺杂铋酸盐光纤玻璃及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种近红外波段宽带发射稀土掺杂铋酸盐光纤玻璃，按照摩尔百分比，其包括以下原材料：74～75mol％的Bi2O3，19～20mol％的B2O3，4～5mol％的Na2O，0.3～0.5mol％的Er2O3，0.8～1.2mol％的Yb2O3，0.2～0.4mol％的Pr6O11。
优选的，按照摩尔百分比，其包括以下原材料：75mol％的Bi2O3，19mol％的B2O3，4.4mol％的Na2O，0.3mol％的Er2O3，1.0mol％的Yb2O3，0.3mol％的Pr6O11。
优选的，按照摩尔百分比，其包括以下原材料：74mol％的Bi2O3，20mol％的B2O3，4mol％的Na2O，0.4mol％的Er2O3，1.2mol％的Yb2O3，0.4mol％的Pr6O11。
优选的，B2O3以H3BO3的形式掺入，Na2O以Na2CO3的形式掺入。即B2O3由两倍的摩尔量的H3BO3代替，Na2O由等摩尔量的Na2CO3代替。B2O3主要起添加B3+的作用，Na2O主要起添加Na+的作用。H3BO3在高温下分解可以产生B2O3的反应，Na2CO3在高温下分解可以产生Na2O的反应，同样可以起到分别添加B3+和Na+的作用。
一种制备上述任一项的近红外波段宽带发射稀土掺杂铋酸盐光纤玻璃，其包括如下步骤：
(1)按照摩尔百分比，分别称取各原材料，备用；
(2)将步骤(1)称好的原材料充分混合均匀，加热熔融得到玻璃溶液；
(3)将步骤(2)得到的玻璃溶液淬冷成型，得到玻璃片；
(4)将步骤(3)得到的玻璃片进行退火处理，得到铋酸盐光纤玻璃。
优选的，步骤(2)：将步骤(1)称好的原材料充分研磨并混合均匀，倒入刚玉坩埚中，放置在1050～1100℃的高温炉中熔融1h，得到玻璃溶液。
优选的，步骤(3)：从高温炉中取出装有玻璃溶液的刚玉坩埚，在预先加热的石墨模具上淬冷成型，得到玻璃片。
优选的，步骤(4)：将浇注有玻璃溶液的石墨模具放入330℃～350℃的马弗炉中退火，退火结束后，得到铋酸盐光纤玻璃。
优选的，退火过程为：将浇注有玻璃液的石墨模具转移至已升温至330℃～350℃的马弗炉中，先保温2h，然后以8～10℃/h的速率降温至室温。
优选的，步骤(4)：从马弗炉中取出装有铋酸盐光纤玻璃的石墨模具，对铋酸盐光纤玻璃进行双面抛光处理。
本发明的有益效果：本发明提供了一种近红外波段宽带发射稀土掺杂铋酸盐光纤玻璃及其制备方法，具有以下的突出特点和有益效果：
(1)本发明在铋酸盐光纤玻璃中引入Er3+、Pr3+和Yb3+三种稀土离子，通过三种离子共掺和浓度优化，该Er-Pr-Yb共掺铋酸盐光纤玻璃在980nm波长的泵浦光激励下，在1200～1400nm和1450～1650nm范围存在两个近红外宽带发射，且二者的荧光半高宽(FWHM)分别达到了82nm和84nm，且光谱较为平坦。
(2)本发明的稀土掺杂铋酸盐光纤玻璃制备工艺简单，物化性能优良。
(3)本发明采用硅碳棒电炉和普通的温控马弗炉来制备铋酸盐光纤玻璃，所需设备较少，非常适合于实际生产中的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1和实施例2制备的铋酸盐光纤玻璃在980nm波长的泵浦光激励下测量到的在1200～1700nm波长范围内的近红外波段荧光发射光谱；
图2为实施例3和实施例4制备的铋酸盐光纤玻璃在980nm波长的泵浦光激励下测量到的在1200～1700nm波长范围内的近红外波段荧光发射光谱。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
实施例1
本发明提供一种近红外波段宽带发射稀土掺杂铋酸盐光纤玻璃，其包括如下步骤：
(1)按照摩尔百分比，分别称取各原材料：75mol％的Bi2O3，19mol％的B2O3，4.4mol％的Na2O，0.3mol％的Er2O3，1.0mol％的Yb2O3，0.3mol％的Pr6O11，备用；其中，要求各原材料的质量百分比纯度为99.99％。
(2)将步骤(1)称好的原材料充分研磨并混合均匀，倒入刚玉坩埚中，放置在1050℃的高温炉中熔融1h，得到玻璃溶液。
(3)从高温炉中取出装有玻璃溶液的刚玉坩埚，在预先加热的石墨模具上淬冷成型，得到玻璃片；其中，预先加热的石墨模具温度为300℃。
(4)将浇注有玻璃溶液的石墨模具放入马弗炉中退火，退火过程为：将浇注有玻璃液的石墨模具转移至已升温至350℃的马弗炉中，先保温2h，然后以10℃/h的速率降温至室温，退火结束后，得到铋酸盐光纤玻璃。
(5)从马弗炉中取出装有铋酸盐光纤玻璃的石墨模具，对铋酸盐光纤玻璃进行双面抛光处理，加工成1.5cm×1.5cm×1.5mm两面抛光的铋酸盐光纤玻璃。
实施例2
本发明提供一种近红外波段宽带发射稀土掺杂铋酸盐光纤玻璃，其包括如下步骤：
(1)按照摩尔百分比，分别称取各原材料：75mol％的Bi2O3，19mol％的B2O3，4.5mol％的Na2O，0.3mol％的Er2O3，1.0mol％的Yb2O3，0.2mol％的Pr6O11，备用；其中，要求各原材料的质量百分比纯度为99.99％。
(2)将步骤(1)称好的原材料充分研磨并混合均匀，倒入刚玉坩埚中，放置在1050℃的高温炉中熔融1h，得到玻璃溶液。
(3)从高温炉中取出装有玻璃溶液的刚玉坩埚，在预先加热的石墨模具上淬冷成型，得到玻璃片；其中，预先加热的石墨模具温度为300℃。
(4)将浇注有玻璃溶液的石墨模具放入马弗炉中退火，退火过程为：将浇注有玻璃液的石墨模具转移至已升温至350℃的马弗炉中，先保温2h，然后以10℃/h的速率降温至室温，退火结束后，得到铋酸盐光纤玻璃。
(5)从马弗炉中取出装有铋酸盐光纤玻璃的石墨模具，对铋酸盐光纤玻璃进行双面抛光处理，加工成1.5cm×1.5cm×1.5mm两面抛光的铋酸盐光纤玻璃。
实施例3
本发明提供一种近红外波段宽带发射稀土掺杂铋酸盐光纤玻璃，其包括如下步骤：
(1)按照摩尔百分比，分别称取各原材料：74mol％的Bi2O3，20mol％的B2O3，4mol％的Na2O，0.4mol％的Er2O3，1.2mol％的Yb2O3，0.4mol％的Pr6O11，备用；其中，要求各原材料的质量百分比纯度为99.99％。
(2)将步骤(1)称好的原材料充分研磨并混合均匀，倒入刚玉坩埚中，放置在1080℃的高温炉中熔融1h，得到玻璃溶液。
(3)从高温炉中取出装有玻璃溶液的刚玉坩埚，在预先加热的石墨模具上淬冷成型，得到玻璃片；其中，预先加热的石墨模具温度为300℃。
(4)将浇注有玻璃溶液的石墨模具放入马弗炉中退火，退火过程为：将浇注有玻璃液的石墨模具转移至已升温至330℃的马弗炉中，先保温2h，然后以8℃/h的速率降温至室温，退火结束后，得到铋酸盐光纤玻璃。
(5)从马弗炉中取出装有铋酸盐光纤玻璃的石墨模具，对铋酸盐光纤玻璃进行双面抛光处理，加工成1.5cm×1.5cm×1.5mm两面抛光的铋酸盐光纤玻璃。
实施例4
本发明提供一种近红外波段宽带发射稀土掺杂铋酸盐光纤玻璃，其包括如下步骤：
(1)按照摩尔百分比，分别称取各原材料：74.2mol％的Bi2O3，19.3mol％的B2O3，5mol％的Na2O，0.5mol％的Er2O3，0.8mol％的Yb2O3，0.2mol％的Pr6O11，备用；其中，要求各原材料的质量百分比纯度为99.99％。
(2)将步骤(1)称好的原材料充分研磨并混合均匀，倒入刚玉坩埚中，放置在1100℃的高温炉中熔融1h，得到玻璃溶液。
(3)从高温炉中取出装有玻璃溶液的刚玉坩埚，在预先加热的石墨模具上淬冷成型，得到玻璃片；其中，预先加热的石墨模具温度为300℃。
(4)将浇注有玻璃溶液的石墨模具放入马弗炉中退火，退火过程为：将浇注有玻璃液的石墨模具转移至已升温至340℃的马弗炉中，先保温2h，然后以9℃/h的速率降温至室温，退火结束后，得到铋酸盐光纤玻璃。
(5)从马弗炉中取出装有铋酸盐光纤玻璃的石墨模具，对铋酸盐光纤玻璃进行双面抛光处理，加工成1.5cm×1.5cm×1.5mm两面抛光的铋酸盐光纤玻璃。
上述实施例1～实施例4中所用原材料B2O3可以以H3BO3的形式掺入，Na2O可以以Na2CO3的形式掺入，即B2O3由两倍的摩尔量的H3BO3代替，Na2O由等摩尔量的Na2CO3代替。其中，H3BO3在高温下分解可以产生B2O3的反应，Na2CO3在高温下分解可以产生Na2O的反应，同样可以起到分别添加B3+和Na+的作用。
分别对上述实施例1～实施例4所制备的碲酸盐光纤玻璃进行性能测试，在980nm波长的泵浦光激励下测量得到在1200～1700nm波长范围内的近红外波段荧光发射光谱。
如图1和图2所示，测试实施例1的玻璃得到荧光光谱，其增益光谱范围约为1200～1700nm，光谱有两个发光中心，分别为位于1320nm的Pr3+发射峰，1530nm的Er3+离子发射峰，其中，1320nm处的荧光半高宽为82nm，1530nm处的荧光半高宽为84nm，测试实施例2的铋酸盐光纤玻璃在1320nm处的荧光半高宽为78nm，1530nm处的荧光半高宽为80nm，测试实施例3的铋酸盐光纤玻璃在1320nm处的荧光半高宽为84nm，1530nm处的荧光半高宽为76nm，测试实施例4的铋酸盐光纤玻璃1320nm处的荧光半高宽为76nm，1530nm处的荧光半高宽为86nm，覆盖了光信号传输的零色散O(1260～1360nm)波段和最低损耗区C(1530～1565nm)波段，且增益较为平坦，在光通信系统有良好的应用价值，且玻璃稳定性好、物化性能优良，有利于光纤放大器实现1.3μm和1.5μm双波段的宽带和高增益放大。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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