北工大激光院采用3D打印技術(shù)成功制備具有微結(jié)構(gòu)的高溫傳感光纖

來源：3D打印技術(shù)參考，由鄭保羅供稿。

近日，北京工業(yè)大學(xué)材制學(xué)部激光工程研究院王璞教授課題組使用DLP 3D打印工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù)制備了稀土摻雜石英微結(jié)構(gòu)光纖，并成功將其應(yīng)用于高溫光纖傳感領(lǐng)域。該工作為3D打印石英技術(shù)開拓了又一新的應(yīng)用落腳點，有助于推動3D打印摻雜石英光纖的進(jìn)一步發(fā)展，未來該技術(shù)有望被廣泛應(yīng)用于各類稀土摻雜光纖激光器、光纖放大器等領(lǐng)域。

稀土摻雜微結(jié)構(gòu)石英光纖被廣泛地應(yīng)用于軍事國防、通訊傳輸、探測傳感等諸多領(lǐng)域，該光纖在實際制備過程中，通常面臨兩大核心技術(shù)：稀土摻雜石英光纖預(yù)制棒制備技術(shù)和微結(jié)構(gòu)光纖制備技術(shù)。

3D打印技術(shù)克服傳統(tǒng)光纖預(yù)制棒制造困難

在稀土摻雜石英光纖預(yù)制棒制備方面，石英基質(zhì)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良的機械特性、較高的損傷閾值等特點，在工程應(yīng)用和科學(xué)研究方面?zhèn)涫荜P(guān)注與青睞，但石英材料在實際制備過程中，通常面臨較高的軟化溫度、較大的粘度、稀土溶解度有限、加工成型困難等問題。目前被廣泛使用、最成熟的稀土摻雜預(yù)制棒制備方法為改進(jìn)的化學(xué)汽相淀積法，如圖1所示。該技術(shù)需要高純沉積氣源、大型旋轉(zhuǎn)高溫設(shè)備（~2000 ℃），同時還面臨較大的疏松體孔徑（~2μm，不利于稀土離子的均勻分布），復(fù)雜的制備工藝、高昂的生產(chǎn)成本、有害氣體與環(huán)境污染等問題。

圖1 MCVD裝置原理圖

針對上述稀土摻雜預(yù)制棒在制備過程中所面臨的問題，王璞教授課題組利用3D打印光固化納米復(fù)合漿料來制備稀土摻雜光纖預(yù)制棒，如圖2所示，其具有室溫成型（25 ℃），易于成型且表面光滑（全程無需任何機械加工），納米多孔結(jié)構(gòu)（~50 nm，有利于稀土離子的吸附與均勻分散），較低的燒結(jié)溫度（1300 ℃），極低的制備成本等優(yōu)點。

圖2 基于3D打印光固化納米復(fù)合材料的稀土摻雜預(yù)制棒制備原理圖

經(jīng)固化、脫脂、摻雜、燒結(jié)等工藝步驟，得到透明、表面光滑、無定型的摻鐿（Yb）石英玻璃芯棒，在976 nm和1040 nm處表現(xiàn)出了良好的Yb熒光特征峰，該玻璃中Yb離子的熒光壽命約為0.74 ms，如圖3所示。

圖3 (a)Yb摻雜石英芯棒，(b)摻雜芯棒XRD檢測圖，(c)Yb摻雜石英芯棒熒光光譜圖，(d)Yb離子熒光壽命

3D打印制備光纖微結(jié)構(gòu)

在微結(jié)構(gòu)光纖制備方面，通常采用手動堆積-牽拉法、擠壓法、超聲鉆孔法等，如圖4所示。針對石英微結(jié)構(gòu)光纖，目前使用最廣泛的是手動堆積牽拉技術(shù)，其具有精度高、長度長等優(yōu)點，但在實際制備過程中，面臨堆積形狀結(jié)構(gòu)受限、手動堆積加工、反復(fù)牽拉等問題；擠壓法通常采用大型擠壓塔，對玻璃原棒進(jìn)行擠壓，由于擠壓模具耐熱溫度的限制，擠壓法通常只適用于低軟化溫度（＜1000 ℃）的多組分玻璃，針對石英基材料無法進(jìn)行直接擠壓，且所能制備的結(jié)構(gòu)相對單一；超聲鉆孔法無法避免大型超聲鉆孔機，且面臨加工時間長，玻璃體易破碎等問題。

圖4 微結(jié)構(gòu)光纖制備方法 (a)堆積-牽拉法(b)正向擠壓法(c)超聲鉆孔法

針對上述傳統(tǒng)微結(jié)構(gòu)光纖加工制備所面臨的問題，該課題組采用DLP 3D打印技術(shù)制備了空氣-石英結(jié)構(gòu)包層，如圖5所示。3D打印技術(shù)在制備復(fù)雜、任意結(jié)構(gòu)方面具有明顯優(yōu)勢，且制備過程中無需大型特殊設(shè)備，同時DLP 3D打印納米復(fù)合漿料技術(shù)，可在較低燒結(jié)溫度（~1300 ℃）下實現(xiàn)石英玻璃結(jié)構(gòu)的制備。

圖5 基于DLP 3D打印技術(shù)的空氣-石英包層結(jié)構(gòu)制備原理圖

經(jīng)過與摻雜石英芯棒類似的熱處理工藝，得到空氣-石英包層結(jié)構(gòu)，與商用的熔融石英玻璃進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，拉曼光譜與X射線光電子能譜檢測表現(xiàn)出良好的一致性，證明3D打印石英玻璃可進(jìn)一步應(yīng)用于光學(xué)元器件的制備。

Yb摻雜石英微結(jié)構(gòu)光纖

將Yb摻雜的石英玻璃芯棒與空氣-石英包層進(jìn)行簡單的手動裝配，結(jié)合光纖拉制技術(shù)，將直徑1.5 cm左右的微結(jié)構(gòu)石英光纖預(yù)制棒拉至百微米量級，如圖6所示。與傳統(tǒng)微結(jié)構(gòu)光纖拉制技術(shù)相比，3D打印石英光纖在拉制過程中未充入任何氣體，通過拉制溫度、玻璃粘度控制盡可能保持原有石英結(jié)構(gòu)，所得光纖直徑與頭發(fā)絲類似。所得光纖折射率與傳統(tǒng)方法制備的石英光纖保持良好的一致，吸收光譜檢測顯示出標(biāo)準(zhǔn)的Yb離子特征峰，但目前該光纖傳輸損耗較大，有待進(jìn)一步優(yōu)化。

圖6 基于DLP 3D打印技術(shù)的稀土摻雜微結(jié)構(gòu)石英光纖制備流程圖

光纖高溫傳感

將所得到的Yb摻雜微結(jié)構(gòu)石英光纖進(jìn)行高溫傳感應(yīng)用實驗，當(dāng)溫度不斷升高時，熒光光譜呈現(xiàn)出周期性變化，利用920nm和1080nm處的熒光強度比，可實現(xiàn)高溫光纖傳感，其對數(shù)熒光強度比與溫度倒數(shù)擬合曲線呈現(xiàn)出幾乎完美的線性分布，探測靈敏度與普通商用光纖基本一致，處于正常范圍內(nèi)。

END

目前該光纖面臨背景損耗過大，進(jìn)一步研究表明損耗主要源于玻璃內(nèi)部缺陷與空氣孔結(jié)構(gòu)的塌陷，未來需進(jìn)一步優(yōu)化制備過程中的燒結(jié)工藝和真空度，以降低該光纖預(yù)制棒中所含雜質(zhì)與氣泡，同時可進(jìn)一步優(yōu)化拉制工藝，以弱化空氣孔結(jié)構(gòu)的塌陷趨勢，從而進(jìn)一步減低傳輸（泄露）損耗。

該工作將3D打印石英技術(shù)成功地應(yīng)用用于稀土摻雜微結(jié)構(gòu)石英光纖的制備，并將所制備的光纖成功應(yīng)用于高溫光纖傳感，推動了3D打印石英技術(shù)的實用性發(fā)展，同時為稀土摻雜微結(jié)構(gòu)石英光纖的制備提供了新的途徑，未來該技術(shù)有望進(jìn)一步應(yīng)用于光纖激光器、放大器等領(lǐng)域。

鄭保羅，博士，北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，從事稀土摻雜石英玻璃/光纖預(yù)制棒、3D打印微結(jié)構(gòu)光纖，增益光纖，光纖激光器等方面的研究。

王璞教授，主要研究領(lǐng)域包括新型高功率超短脈沖光纖激光器、光纖放大器的研制及其應(yīng)用；新型高功率連續(xù)/納秒脈沖光纖激光器、光纖放大器的研制及其應(yīng)用；新型光纖光學(xué)功能性器件的研制; 高峰值功率激光脈沖的非線性轉(zhuǎn)換等，在高功率光纖激光器、高功率光纖超熒光源等研究方向取得數(shù)項國際領(lǐng)先的研究成果并掌握了其部分核心/關(guān)鍵技術(shù)。