低损耗硫系玻璃光纤制备的关键技术研究

作     者：徐会娟 

作者单位：宁波大学 

学位级别：硕士

导师姓名：聂秋华;王训四

授予年度：2014年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：硫系玻璃 红外光学特性 硫系玻璃光纤 复合层叠挤压法 光纤损耗 

摘      要：硫系玻璃光纤由于其独特的光学特性，在红外波段的激光能量传输，医疗检测，光纤传感等领域具有广泛的应用前景，同时随着光学非线性的发展,光纤通信领域越来越需要拥有超高非线性的硫系玻璃光纤。硫系玻璃光纤具有超高非线性（玻璃光纤中最高）、截止波长可调、折射率可调，光纤性能稳定等优点。但是，作为光纤材料的硫系玻璃组分选择十分关键，一般侧向于选择抗析晶能力强、红外透过范围宽的硫系玻璃作为光纤基质材料。玻璃结构不均匀、存在杂质等因素会增加玻璃光学散射损耗，因此如何降低玻璃中杂质的含量也是制备低损耗硫系玻璃光纤的关键技术。目前硫系玻璃光纤的制备工艺虽然有很多种，但是都不能完成低损的要求，另外硫系玻璃光纤的脆性极大，如果保护不当则极易折断，因而不能采用传统的有机液涂覆办法进行涂覆层保护。 本文针对低损耗硫系玻璃光纤研究中存在的问题，选用重金属和重金属卤化物对硫系玻璃组分进行改良研究，研究分析了Ge-Ga-Te-Cu，Ge-Ga-Te-ZnI2体系玻璃的形成能力;利用XRD、SEM、DSC等手段测试了玻璃结构和物化性质;利用FTIR图谱分析了金属Cu和金属卤化物ZnI2对玻璃性能的影响。选用热学性能较好、可塑性强的玻璃组分Ge15Sb20S65和Ge25Sb5Se70蒸馏提纯后，采用复合层叠挤压法制备光纤预制棒;配合保护聚合物层进行光纤拉制;利用光纤抛光机进行光纤端面抛光，然后进行光纤传输损耗和弯曲测试。 论文的绪论简要地概述了硫系玻璃和硫系玻璃光纤，介绍了它们的研究进程及硫系玻璃光纤在不同领域的应用，总结了传统硫系玻璃光纤制备方法，从而引出本文研究的内容。 第二章详细介绍了本文的研究理论基础，硫系玻璃理论基础包括热稳定性分析、光学带隙、红外截止边理论、提纯，光纤理论基础包括光纤结构、光纤损耗、光纤非线性、光纤传输理论。 第三章介绍了本论文中的硫系玻璃制备的方法与性能测试的主要手段，以及新型低损耗硫系光纤的制备流程和光纤的性能测试。 第四章分析了Cu对Ge-Ga-Te基玻璃性能的影响。结果表明：随着Cu含量的增加而玻璃的密度、摩尔体积都减小，短波吸收截止边发生红移，同时光学带隙值减小;（GeTe4）68（Ga2Te3）26Cu6玻璃具有最好的热稳定性，ΔT（=Tx-Tg,即玻璃的析晶温度值Tx与玻璃转变温度值Tg的差值）为103oC;所有的玻璃样品都有很宽的红外透过窗口，红外截止波长都超过了20μm，加入除氧剂Al，玻璃的Ga-O杂质吸收峰基本消失。 第五章研究了在Ge-Ga-Te基玻璃中引入重金属卤化物ZnI2并给出了Ge-Ga-Te-ZnI2玻璃系统的形成区。分析了ZnI2对玻璃的成玻性能、热学性质和光学性能的影响。随着ZnI2含量的增加，DSC分析表明玻璃的ΔT增大，玻璃的间接光学带隙值从0.596eV到0.626eV，玻璃样品的红外透过范围从1.9μm到25μm。 第六章介绍了采用复合层叠挤压法制备硫系玻璃光纤及光纤性能研究，选用组分为Ge15Sb20S65和Ge25Sb5Se70的两组硫系玻璃进行光纤制备实验。首先分析了这两种玻璃的物理、热学和光学性能;其次，利用新型的复合层叠挤压法制备了硫系玻璃光纤预制棒，光纤端面结构可随模具尺寸自由设计，且挤压后光纤预制棒结构整齐，内外界面整洁光滑;利用高温聚合物保护的预制棒具备绝佳的机械性能;最后配合光纤拉丝机将该具备保护层的预制棒进行光纤拉细，在利用普通的光纤抛光机进行端面抛光后，利用光学显微镜进行光纤端面成像观察，结果表明光纤端面结构均匀，界面无明显缺陷，利用傅里叶红外光纤光谱仪进行光纤损耗测试，由光纤损耗谱可知在波长4.8μm处纤芯/包层光纤的最低损耗为2.61dB/m，采用聚合物保护的光纤，在一定范围内弯曲角度增大时，弯曲损耗基本不变。 最后总结了研究成果，指出存在的问题以及下一步改进的方向。