鍺酸鹽玻璃包層/半導(dǎo)體纖芯復(fù)合材料光纖的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及錯酸鹽玻璃包層/半導(dǎo)體纖忍復(fù)合材料光纖。【背景技術(shù)】
[0002] 光纖在傳統(tǒng)通信中有著重要的應(yīng)用，在現(xiàn)代社會中極大地改善了人類的生活。 2009年，被譽為"光纖之父"的高銀教授因提出低損耗的石英光纖來實現(xiàn)通信獲得諾貝爾物 理學(xué)獎。但隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，對光纖提出了更高的要求，例如:工作在極端環(huán) 境下的深井天然氣和油田的探測，具有小的非線性的高功率激光系統(tǒng)，高非線性光纖來實 現(xiàn)光信號處理等。傳統(tǒng)的石英光纖和稀±滲雜的玻璃光纖由于其自身的缺陷并不能滿足運 些要求，而近些年來提出的新型復(fù)合光纖越來越引起人們的關(guān)注，通過將具有不同性能的 材料復(fù)合到同一光纖中，同時設(shè)計和優(yōu)化材料的組成和新型的光纖結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)光纖的多 功能化，滿足不同的功能需求，新型復(fù)合材料光纖將會成為未來光纖發(fā)展的重要方向之一。
[0003] 新型復(fù)合光纖包括集成絕緣體(玻璃或者聚合物）、半導(dǎo)體、金屬等材料于單一光 纖中來實現(xiàn)光纖的多功能化。2004年，美國麻省理工學(xué)院Y.Fink課題組率先提出、設(shè)計、制 備出多功能復(fù)合光纖，具有聲波傳感器、光調(diào)制、聽覺能力等功能，有望集成為可穿戴的智 能織物。玻璃包層半導(dǎo)體纖忍復(fù)合材料光纖是新型復(fù)合光纖發(fā)展的重要方向之一，可W將 玻璃光纖優(yōu)異的光學(xué)性能和半導(dǎo)體材料豐富的光、電、熱等性能完美的結(jié)合起來，在非線性 光學(xué)、傳感、光電探測、紅外功率傳輸、生物醫(yī)療等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。
[0004] 2008年，美國克萊姆森大學(xué)的J.Ballato課題組首次提出將半導(dǎo)體材料引入到傳 統(tǒng)的玻璃光纖結(jié)構(gòu)中，采用管棒法或粉管法來制備玻璃包層半導(dǎo)體纖忍光纖，但他們只是 做了初步的實驗探討，并沒有獲得性能優(yōu)異的復(fù)合光纖。而在國內(nèi)，鮮有報道玻璃包層半導(dǎo) 體纖忍復(fù)合材料光纖，且只局限于概念論證的基礎(chǔ)實驗。更為重要的是目前報道的玻璃包 層半導(dǎo)體纖忍復(fù)合材料光纖大都選擇石英玻璃、娃酸鹽玻璃或憐酸鹽玻璃作為包層，運些 包層玻璃在中紅外透過率很低，拉絲溫度過高或過低，可選擇的半導(dǎo)體材料較少。而錯酸鹽 玻璃具有較高的玻璃轉(zhuǎn)變溫度，高的抗激光損傷闊值，良好的物化性能W及優(yōu)異的紅外透 過性能，是中紅外光傳輸和中紅外激光器基質(zhì)的重要材料。至今為止，還未有錯酸鹽玻璃作 為包層玻璃來制備復(fù)合材料光纖的報道，將具有優(yōu)異的光學(xué)性能和物化性能的錯酸鹽玻璃 和具有豐富的光、電、熱等功能的半導(dǎo)體材料有效的結(jié)合，拉制成復(fù)合材料光纖，在非線性 光學(xué)、傳感、光電探測、紅外功率傳輸、生物醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，特別是在中紅外領(lǐng) 域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的目的在于提供多組分錯酸鹽玻璃包層/半導(dǎo)體纖忍復(fù)合材料光纖。錯酸 鹽玻璃具有高的中紅外透過性能，優(yōu)異的物化性能。將錯酸鹽玻璃作為包層制備半導(dǎo)體纖 忍復(fù)合材料光纖可W極大的發(fā)揮半導(dǎo)體材料在中紅外的性能，使得復(fù)合材料光纖在中紅外 光傳輸、拉曼頻移紅外光源、光電探測、生物醫(yī)療等方面有著巨大的應(yīng)用前景。
[0006]本發(fā)明的目的至少通過如下技術(shù)方案之一實現(xiàn)。
[0007]錯酸鹽玻璃包層/半導(dǎo)體纖忍復(fù)合材料光纖，其光纖包層是多組分錯酸鹽玻璃，光 纖纖忍半導(dǎo)體材料為Ge、InSb、Ga訊、SnTe或GeTe。
[0008]進(jìn)一步地，作為復(fù)合材料光纖包層的多組分錯酸鹽玻璃，玻璃中Ge化質(zhì)量百分比 為60%~70%，玻璃的拉絲溫度在900~1100°C之間，且在中紅外2~如m透過率大于75%。
[0009]進(jìn)一步地，所述的錯酸鹽玻璃包層/半導(dǎo)體纖忍復(fù)合材料光纖的制備工藝如下：
[0010] (1)多組分錯酸鹽包層玻璃的烙制:烙制大塊多組分錯酸鹽包層玻璃，按質(zhì)量百分 比計，玻璃原料配比為：BaO10~20%、Ga2〇3 5~20%、Ge〇2 60~70%、La2〇3 1~5% (純度 99.99% );按配比稱取原料，混合均勻，加入到銷金相蝸中，在1350~1450°C溶制4~化，期 間采用反應(yīng)氣氛法除水，同時通氣體保護(hù);成型后，在550~650°C保溫10~25h，然后隨爐降 至室溫；
[0011] (2)多組分錯酸鹽包層玻璃的機(jī)械加工:經(jīng)過退火的大塊多組分錯酸鹽包層玻璃， 加工成直徑20~30mm，長80~120mm的圓柱，且包層玻璃中屯、沿軸線加工有直徑2~4mm,長 60~100mm的圓柱形孔，圓柱形孔沒有貫穿整個玻璃圓柱;圓柱玻璃表面及圓柱形孔內(nèi)表面 都經(jīng)過機(jī)械和化學(xué)拋光；
[0012] (3)光纖預(yù)制棒的組裝:根據(jù)多組分錯酸鹽包層玻璃的折射率，光透過性能，拉絲 溫度，熱膨脹系數(shù)，高溫潤濕性等選擇與其相匹配的半導(dǎo)體材料。將半導(dǎo)體材料(形狀可W 是棒狀，塊狀或粉體)緊密地填充在包層玻璃的圓柱形孔中，抽真空后用耐火泥密封好開孔 端，組裝成多組分錯酸鹽玻璃包層/半導(dǎo)體纖忍光纖預(yù)制棒；
[0013] (4)光纖拉絲：將組裝好的光纖預(yù)制棒放在拉絲塔上拉絲，拉絲過程通氣氣保護(hù)， 拉絲溫度900~1100°C，光纖拉絲速度80~lOOm/min;獲得連續(xù)的錯酸鹽玻璃包層/半導(dǎo)體 纖忍復(fù)合材料光纖。光纖尺寸可根據(jù)需要通過控制拉絲參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0014]目前已報道的玻璃包層/半導(dǎo)體纖忍復(fù)合材料光纖是采用石英玻璃、娃酸鹽玻璃 和憐酸鹽玻璃作為包層，而運些包層玻璃的中紅外透過性能差。石英玻璃和娃酸鹽玻璃紅 外透過截止波長為3.5μπι;憐酸鹽玻璃在大于3.5WI1處透過率低于30%。錯酸鹽玻璃在2~化 m光波段透過率大于75%，是中紅外光波段具有良好的傳輸性能。因此，本發(fā)明選用多組分 錯酸鹽玻璃作為包層材料制備半導(dǎo)體纖忍復(fù)合材料光纖，如此設(shè)計的光纖在2~扣m光波段 具有較低的光損耗。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有非常顯著的有益效果：
[0016] (1)本發(fā)明提出、設(shè)計、并采用傳統(tǒng)的光纖制備方法拉制出玻璃包層半導(dǎo)體纖忍復(fù) 合材料光纖。選用多組分錯酸鹽玻璃作為包層，其抗激光損傷闊值高，良好的物化性能W及 優(yōu)異的紅外透過性能，并確定了與多組分錯酸鹽玻璃拉絲性能相匹配的半導(dǎo)體材料作為纖 忍。拉制的多組分錯酸鹽玻璃包層/半導(dǎo)體纖忍復(fù)合材料光纖在中紅外長波段的光傳輸，光 開關(guān)和光電探測，拉曼位移紅外光源W及利用其高非線性在光信號處理，超連續(xù)譜光源等 方面有著巨大的應(yīng)用前景。
[0017] (2)現(xiàn)有的玻璃包層半導(dǎo)體纖忍復(fù)合材料光纖大都采用石英玻璃、娃酸鹽玻璃、憐 酸鹽玻璃作為包層，它們在中紅外透過率較低。且能夠匹配的半導(dǎo)體材料較少。本發(fā)明的多 組分錯酸鹽玻璃包層/半導(dǎo)體纖忍復(fù)合材料光纖，多組分錯酸鹽包層玻璃具有優(yōu)異的機(jī)械 性能，可采用機(jī)械冷加工，且在中紅外2~扣m透過大于75%，拉絲性能優(yōu)異，拉絲溫度可在 900~1100°C變化，運些性能可W滿足多種不同的半導(dǎo)體纖忍材料。極大的拓寬了玻璃包層 半導(dǎo)體纖忍復(fù)合材料光纖的種類，同時可W充分發(fā)揮出半導(dǎo)體材料在中紅外的性能，為復(fù) 合材料光纖在中紅外的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0018]圖1為實例中多組分錯酸鹽包層玻璃的差熱分析圖。
[0019] 圖2為實例中多組分錯酸鹽包層玻璃(0.86mm厚)的傅立葉紅外透過光譜圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此，對 未特別說明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進(jìn)行。
[0021] 實施例1
[0022] 多組分錯酸鹽玻璃包層/錯半導(dǎo)體纖忍光纖的制備及方法如下：
[0023] (1)采用傳統(tǒng)的烙融-退火的方法烙制大塊的多組分錯酸鹽包層玻璃。按質(zhì)量百分 比計，玻璃原料配方為:8曰0 15%、6曰2〇3 15%、66〇2 65%、1曰2〇3 5%(純度99.99%)。按配比 稱取質(zhì)量800g的原料，混合均勻，加入到銷金相蝸中，在1400°C溶制化，期間采用反應(yīng)氣氛 法除水，同時通氧氣保護(hù)。成型后，在600°C保溫20h，然后隨爐冷卻至室溫。此多組分錯酸鹽 玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg為678°C(如圖1中DSC測量），期紅外透過性能展示在圖2中。
[0024] (2)包層玻璃的機(jī)械加