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掺杂二氧化硅玻璃光敏性及光纤光栅器件研究

陈光辉  
【摘要】:本文首先综述了1978年以来玻璃光敏性研究的简要历史及玻璃光敏性研究所取得的典型成果;分析了掺锗二氧化硅玻璃光敏性色心模型中两种光致缺陷转化的过程,以及载氢工艺提高掺锗二氧化硅玻璃光敏性的机理;介绍了掺锡二氧化硅玻璃光敏性的特点和近年来所取得的最新研究成果,解释掺锡二氧化硅玻璃光敏性产生机理的几种观点。同时,概述了基于光纤光敏性而制备的光纤光栅的基本特性、制作技术、及其在传感领域的应用。 本论文研究了掺锡二氧化硅玻璃的光敏性及其产生的机理,开展了高双折射光纤光栅的传感特性研究,进行了基于1053nm光纤布拉格光栅的几种光纤器件的实验研究。 首次采用MCVD方法和液相掺杂工艺在纯二氧化硅玻璃基板上制备出具有光敏性的掺锡二氧化硅玻璃薄膜,提出了以Fresnel公式为基础的研究玻璃薄膜光致折射率变化的新方法,采用248nm的准分子激光对掺锡二氧化硅薄膜进行照射,获得了2×10~(-4)(波长为1550nm)的光致折射率变化。通过研究掺锡二氧化硅薄膜在不同条件的紫外激光照射下所产生的光致紫外吸收变化和对其Raman光谱的分析,发现掺锡二氧化硅薄膜光致折射率变化的机理与照射的紫外激光脉冲的能量密度有关,在高能量密度(约50mJ/cm~2,266nm)照射下,其光敏性主要是由微观结构变化引起的,这种微观结构的变化始于与缺氧中心(Sn-ODCs,Si-ODCs,和Si-E')有关的键的断裂。在相对低的能量密度(约10mJ/cm~2,266nm)照射条件下,掺锡二氧化硅薄膜的光敏性主要归结于光学活性缺陷的光致转化,并可以用Kramers-Kronig关系式来解释。发现掺锡二氧化硅薄膜受低能量密度(约10mJ/cm~2,266nm)照射后,在252nm的吸收峰被漂白的同时,分别在194nm、212nm和263nm处出现新的吸收带,初步分析认为:这些吸收与锡的缺氧缺陷中心(Sn-ODCs)有关。同时,通过对掺锡二氧化硅薄膜分别在高温、高压的氧气和氮气中退火前后的Raman光谱的研究,发现氮在一定条件下容易扩散到采用MCVD工艺制作的掺杂二氧化硅薄膜的现象,这意味着可能可以通过MCVD和气体扩散工艺来制作具有耐辐射特性的掺氮二氧化硅薄膜和光纤。 首次采用MCVD法和液相掺杂工艺制备了镱锡共掺二氧化硅玻璃的光纤预制棒,这种材料同时具有掺锡二氧化硅光纤特有的高光敏性和掺镱二氧化硅光纤的光致发光特性。研究结果表明镱锡共掺光纤预制棒中的镱和锡之间没有发生影响各自特性的负面作用。在实验中,我们观察到预制棒受266nm激光脉冲照射后产生了高达2×10~(-4)的光致折射率变化量,而紫外照射基本上不影响材料的光致发光谱(PL谱)。通过对紫外吸收变化和Raman光谱分析,发现这种镱锡共掺的光纤预制棒的光致吸收变化对照射激光脉冲能量密度的依赖性,与掺锡二氧化硅玻璃薄膜的情况极其相似,即:在高能量密度照射下,光敏性主要来源于材料中与缺氧中心周围的键的断裂而产生的微观


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