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红外光纤材料硫卤玻璃的组成、结构与性能研究

杨慧  
【摘要】: 为探索新型透红外材料和光纤放大器的基质玻璃材料,本文通过X射线衍射分析、密度测试、差热分析、抗潮解性能测试、FTIR和UV-Vis光谱以及Raman光谱分析等方法,对GeS_2-Ga_2S_3-CsCl、GeS_2-Ga_2S_3-AgI和As_2S_3-PbI_2三系统硫卤玻璃的制备与形成、光学、热学性能以及微结构等进行了较为系统的研究。 GeS_2-Ga_2S_3-CsCl系统玻璃形成能力良好,转变温度Tg在175~375℃之间,大部分玻璃有较强的抗结晶热稳定性;GeS_2/Ga_2S_3=4时,随CsCl掺量增加,Tg先下降后稍有增加,然后继续下降,而密度先上升后下降,在2.82~3.05g/cm~3之间。由杂质基团Ge-O键引起的红外截止波长在12.8 μm附近,红外透过率达80%;随CsCl含量的增加,紫外吸收限向短波方向位移,从453nm移至410nm,且透过率增加。CsCl破坏玻璃中S_3Ga-GaS_3金属—金属键连接和GaS_4四面体的共边连接,形成Cl-Ga键,产生复合阴离子团[Ga_2S_2S_(2/2)Cl_2]~(2-);网络形成体仍为GeS_2,[GeS_(4/2)]四面体顶角相连构成三维空间网络结构,Ga_2S_3为网络中间体,Cs~+则充当网络修饰体,作为电荷补偿剂填充于[Ga_2S_2S_(2/2)Cl_2]~(2-)形成的网络空隙。 GeS_2-Ga_2S_3-AgI系统玻璃成玻区较窄,其边界从GeS_2顶点延伸至含GeS_240%的组成,当AgI含量小于33%时可以得到稳定的块状玻璃。其转变温度在170~353℃之间;当AgI/Ga_2S_3=2时,随AgI掺量的增加,Tg和Tx基本上呈线性减少,且ΔT和H值下降;密度却呈线性增大,在2.84~3.93g/cm~3之间。玻璃具有较好的化学稳定性,红外截止波长位于11.04μm附近,由Ge-S、Ga-S键多声子吸收引起。AgI的加入并未改变网络形成体的近程结构,[GeS_4]和[GaS_4]四面体通过桥S连接形成三维无序网络状结构,AgI作为网络修饰体分布于其中。 在冰水淬冷情况下,As_2S_3-PbI_2二元系统玻璃中PbI_2最大摩尔分数可达25%;玻璃化学稳定性良好,转变温度介于194~201℃之间,并随着PbI_2掺量增加而降低;微结构为网络形成体As_2S_3以[AsS_(3/2)]三角锥结构单元存在,通过共用S或S-S连结形成无序网络状结构;八面体构型的配位多面体[PbI_6]为网络修饰体,通过S-I键与[AsS_(3/2)]三角锥连接,均匀地分布于玻璃网络中。 实验结果表明:三个系统的玻璃均为较有前途的中远红外光纤材料,且GeS_2-Ga_2S_3-CsCl玻璃是潜在的稀土离子掺杂1.3 μm光纤放大器的基质材料。


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