本發(fā)明涉及先進功能陶瓷和光纖制備，特別涉及一種基于多層復合結構透明陶瓷的yag衍生玻璃光纖制備方法。

背景技術：

1、釔鋁石榴石(yag)是一種綜合性能優(yōu)良的激光基質材料，適合摻雜多種活性離子(ce3+、yb3+、cr4+、er3+)。近年來，基于稀土離子摻雜yag晶體或陶瓷并通過熔融纖芯拉絲法(melt-in-tube，mit)制備的稀土離子摻雜yag衍生玻璃光纖在單頻/鎖模光纖激光器領域受到廣泛關注。這類光纖的包層由石英玻璃構成，纖芯由釔鋁硅酸鹽玻璃組成，與傳統(tǒng)商用石英光纖具有良好的匹配度，而且由于纖芯為高al2o3和y2o3含量組分，因此可以摻雜更高濃度的稀土離子，有利于獲得更高的增益，且具有更好的熱導率和受激布里淵散射閾值。

2、熔融纖芯法制備yag衍生玻璃光纖的工藝流程和傳統(tǒng)的管棒法類似，大致可分為光纖預制棒的制備和光纖拉絲兩個主要步驟，如圖1所示。其中光纖預制棒的制備是yag衍生玻璃光纖制備流程中最關鍵的一項。用于yag衍生玻璃光纖制備的預制棒由外包層和芯棒兩部分構成，其中外包層為石英玻璃，而芯棒通?？梢赃x擇為yag單晶或yag陶瓷。制備過程通常是將yag單晶或yag陶瓷切割磨制成設定直徑和長度的長條作為芯棒，而在石英玻璃棒中心按照設定直徑和深度進行鉆孔作為外包層，隨后將芯棒置于包層玻璃管中組合成光纖預制棒。

3、yag單晶塊體的制備成本高，周期長，組分調控范圍窄，而普通燒制出的yag陶瓷內(nèi)部常常會引入雜質和氣孔，作為光纖預制棒的芯棒進行研究和生產(chǎn)均存在很多不利因素。相比于傳統(tǒng)的單晶和陶瓷，yag透明陶瓷具有生產(chǎn)成本低、稀土摻雜濃度高、結構設計靈活等優(yōu)點，作為光纖預制棒的芯棒具有極大的優(yōu)勢。

4、采用熔芯法制備多稀土離子摻雜的yag衍生玻璃光纖是近年來研究的熱點之一。目前采用yag晶體或陶瓷作為預制棒芯棒制備多稀土離子摻雜的yag衍生玻璃光纖的方法主要有兩類：一類是在制備晶體或陶瓷原料時直接進行稀土元素的共摻，使用這種方法得到的預制棒芯棒摻雜靈活度有限，且只能在組分上進行調控；另一類是將已經(jīng)制備好的不同稀土摻雜預制棒芯棒進行簡單的拼接，這樣可以快速實現(xiàn)多種不同稀土的任意搭配，對于預制棒芯棒組分調整的自由度更高，但是在光纖拉制過程中復合結構纖芯界面間的結合和匹配度不好，致使拉制出的光纖圓度和同心度較差，詳見文章《wei,z.s,luan,j,huang,l,et?al.single-frequency?fiber?laser?of?315mw?at?1940nm?based?on?a?tm:yag/ho:yag-co-derived?silica?fiber.optics?letters,2023,48(19):5109-5112》。目前也有一些新型的方法來實現(xiàn)稀土離子共摻預制棒芯棒的制備，例如2022年鄭保羅團隊首次采用紫外固化納米粉的方法制備芯棒并且成功制備出er/yb共摻的yag光纖，詳見文章《zheng,b.l,qi,f.x,yang,j,et?al.er:yag/yb:yag?nanopowders-derived?er/yb?co-dopedyttrium?aluminosilicate(yas)fibers?fabricated?by?uv-curable?nanocompositesfor?1.5-μm?single-frequency?fiber?lasers.journal?of?the?american?ceramicsociety,2022,105:7064-7071》，以及相對應的專利申請《專利申請?zhí)枺篶n202210051751.0，名稱為：一種摻雜yag衍生玻璃光纖的制備方法》，但是這種方法的制備成本較高，工藝流程相對繁瑣復雜。

5、近年來，多元化的復合結構透明陶瓷應運而生，采用多層復合結構透明陶瓷作為激光材料，能夠促使熱量在材料內(nèi)部均勻分布，抑制熱量聚集，有助于獲得高效率、高功率、高光束質量的激光輸出。例如上海交通大學的劉文斌等人制備的yag/nd:yag/yag多層結構陶瓷棒在1064nm處泵浦閾值為23w，泵浦功率為201w，輸出功率為20.3w，光轉換效率為10.1％，散射損耗為0.038cm-1，吸收損耗約為0.005cm-1，詳見《劉文斌.nd:yag透明陶瓷的制備、顯微結構及激光性能研究.上海交通大學,2012》。而上海硅酸鹽研究所的李江等人采用固相法真空燒結成功制備了無孔隙、致密的yag/nd:yag/yag透明陶瓷，樣品在1064nm激光波長下光學透過率達到80.2％，最大吸收峰位于808nm，采用1000mw?ld端面泵浦方案，獲得了8mw連續(xù)激光輸出，斜率效率為4.0％，詳見文章《li?j,wu?y,pan?y,et?al.laminar-structured?yag/nd:yag/yag?transparent?ceramics?for?solid-statelasers.international?journal?of?applied?ceramic?technology,2008,5(4):360-364》。但是，傳統(tǒng)的采用固相法制備的yag晶體無法有效調節(jié)光纖組分。

6、目前多稀土離子共摻y(tǒng)ag光纖的研究還處于非常前沿的階段，相關報道很少，更沒有發(fā)現(xiàn)和檢索到使用多層復合結構yag透明陶瓷作為纖芯并采用熔融纖芯拉絲法制備yag衍生玻璃光纖的研究。

技術實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于多層復合結構透明陶瓷的yag衍生玻璃光纖制備方法，采用干壓成型和真空燒結工藝制備用于光纖拉絲的預制棒芯棒的多層復合結構yag透明陶瓷，隨后將制備的多層復合結構的yag透明陶瓷通過切割和研磨制備為芯棒并與石英管組合成用于光纖拉絲的預制棒，最后再采用熔融纖芯拉絲法制備出yag衍生玻璃光纖，本發(fā)明多層復合結構的yag透明陶瓷作為光纖拉絲的預制棒芯棒可以實現(xiàn)不同稀土離子的共摻，彌補了傳統(tǒng)yag晶體和陶瓷芯棒無法有效調節(jié)光纖組分的不足。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為：

3、基于多層復合結構透明陶瓷的yag衍生玻璃光纖制備方法，將多層復合結構yag透明陶瓷作為芯棒，置于作為包層的石英玻璃管中，組合成為光纖預制棒，再采用熔融纖芯拉絲法(melt-in-tube，mit)將光纖預制棒拉制為yag衍生玻璃光纖。

4、基于多層復合結構透明陶瓷的yag衍生玻璃光纖制備方法，具體包括以下步驟：

5、(1)多層復合結構yag透明陶瓷的制備

6、(1.1)、多層復合結構yag透明陶瓷粉體的制備

7、使用高純的氧化鋁al2o3、氧化釔y2o3和稀土離子氧化物按照稀土離子摻雜yag的理想化學式er3xy3(1-x)al5o12配料，0＜x≤0.2；其中，稀土離子氧化物選自er2o3、nd2o3、yb2o3、er2o3、tm2o3、dy2o3、la2o3、sm2o3其中之一；再以al2o3、y2o3和稀土離子氧化物的總質量為基準準備燒結助劑mgo?0.05-0.20wt.％和teos?0.2-0.8wt.％；通過球磨混料、烘干、200#以下的篩網(wǎng)過篩，得到均勻的稀土離子摻雜的多層復合結構yag透明陶瓷粉體；

8、(1.2)、多層復合結構yag透明陶瓷坯體的成型

9、將步驟(1.1)中所備的均勻的稀土離子摻雜的多層復合結構yag透明陶瓷粉體按照各層設計厚度分層平鋪填充在軸壓模具中，并加壓初步成型，加壓參數(shù)為：8-12mpa，25-35s，得到初步成型的多層復合結構陶瓷生坯；隨后采用冷等靜壓，加壓參數(shù)為：180-220mpa，8-12min，將初步成型的陶瓷生坯進一步壓實，得到均勻致密的多層復合結構陶瓷生坯，要求生坯密度>60％；

10、(1.3)、多層復合結構yag透明陶瓷的燒結

11、將步驟(1.2)得到的均勻致密的多層復合結構陶瓷生坯采用真空燒結的方式得到多層復合結構yag透明陶瓷，具體參數(shù)：真空度≤10-3pa；升溫速率5±2℃/min升到800℃±30℃，再以1℃/min升到1780℃±50℃后；停止升溫，在該溫度燒結6-10h后；再以降溫速率5±2℃/min降到300℃±30℃后自然冷卻；

12、(1.4)、多層復合結構yag透明陶瓷的退火

13、采用空氣或氧氣氣氛對步驟(1.3)所得的多層復合結構yag透明陶瓷進行退火處理，消除陶瓷中的缺陷及應力，退火后，再進行多次雙面光學拋光；退火處理具體參數(shù)：升溫速率5±2℃/min升到1450±50℃保溫8-12h；降溫速率5±2℃/min降到300℃±30℃后自然冷卻；

14、(2)yag衍生玻璃光纖預制棒的制備

15、(2.1)預制棒包層制備：選用高純石英玻璃，并加工成中通的圓柱狀玻璃管，內(nèi)外表面打磨拋光至鏡面，即得到中通的高純石英玻璃管充當包層；

16、(2.2)預制棒芯棒制備：將步驟(1)得到的多層復合結構yag透明陶瓷按照設計要求進行切割、拋光和清洗，制備成光纖拉制預制棒的芯棒；

17、(2.3)預制棒組裝：封好高純石英玻璃管中通的通孔一端，將芯棒填充到中通的高純石英玻璃管中，再封好玻璃管中通的通孔另一端，形成光纖預制棒；

18、(3)yag衍生玻璃光纖的熔融拉絲

19、將組裝好的光纖預制棒放在石墨爐拉絲塔內(nèi)拉絲，拉絲過程中拉絲爐內(nèi)通氬氣保護，拉絲溫度2000℃-2050℃，光纖直徑通過玻璃管給料速度和光纖牽引輪速度參數(shù)進行調節(jié)，最終獲得連續(xù)的yag衍生玻璃光纖。

20、所述步驟(1.2)的具體參數(shù)為：加壓初步成型，加壓參數(shù)為：10mpa，30s，得到初步成型的多層復合結構陶瓷生坯；隨后采用冷等靜壓，加壓參數(shù)為：200mpa，10min。

21、所述步驟(1.3)的具體參數(shù)為：升溫速率5℃/min升到800℃℃，再以1℃/min升到1780℃后；停止升溫，在該溫度燒結8h后；再以降溫速率5℃/min降到300℃后自然冷卻。

22、所述步驟(1.4)的退火處理具體參數(shù)：升溫速率5℃/min升到1450℃保溫10h；降溫速率5℃/min降到300℃后自然冷卻。

23、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

24、(1)、本發(fā)明步驟(1)中采用干壓成型和真空燒結工藝制備用于光纖拉絲的預制棒芯棒的多層復合結構yag透明陶瓷，可以根據(jù)需求靈活改變稀土離子摻雜濃度、摻雜類型，從而有效調節(jié)yag衍生玻璃光纖的組分；干壓成型的生產(chǎn)效率高，周期短，可以實現(xiàn)用于光纖預制棒芯棒的復雜結構成型。相比于現(xiàn)有的對不同稀土摻雜預制棒芯棒進行簡單拼接的技術，多層復合結構的yag透明陶瓷層與層之間結合力更強、復合度更高，具有良好的匹配性，其不同摻雜層之間具有相近的熱膨脹系數(shù)，有助于拉制出圓度、同心度較高的yag衍生玻璃光纖，這種光纖可以在寬帶光纖激光器領域取得廣泛的應用。

25、(2)本發(fā)明步驟(2)將制備的多層復合結構的yag透明陶瓷通過切割和研磨制備為用于芯棒并與石英管組和成用于光纖拉絲的預制棒，采用熔融纖芯拉絲法制備出yag衍生玻璃光纖，這種多層復合結構yag透明陶瓷的芯棒相對于yag單晶芯棒來說大大減小了單晶塊體昂貴的制備成本以及較長的生產(chǎn)周期，提高了制備效率；相對于yag粉體作為芯棒，其彌補了拉制過程中粉末顆粒之間存在更多的空隙，高溫熔融態(tài)下容易產(chǎn)生更多氣泡的缺陷，提升了實驗的穩(wěn)定性和可操作性，可以穩(wěn)定、連續(xù)制備出yag衍生玻璃光纖。

26、綜上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，該多層復合結構yag透明陶瓷作為芯棒，在高溫拉絲過程中纖芯和包層匹配效果優(yōu)異，可以拉制出圓度、同心度較高，具有良好的柔韌性和熱力學穩(wěn)定性的可應用于光纖激光器的yag衍生玻璃光纖，且具有高效率、穩(wěn)定性和可操作性等方面的優(yōu)勢。