复合材料光纤及后处理技术研究

【摘要】：随着新型半导体材料的不断涌现和光纤制备工艺的不断发展,集成具有不同的光学、热学、力学和电学等性能材料到光纤中,构成复合材料光纤,已成为光纤研究的一个重要方向,并在光电探测、传感、光开关等领域具有重要的应用前景。硒(Se)和碲(Te)是两种重要的元素半导体,具备许多独特的性能,如光电导性、压电性、高非线性光学响应,对2~12μm光具有高的透过性。因硒和碲能形成良好的晶体固溶体,可按光纤性能需要,制备成任意Se、Te比例的Se/Te芯复合材料光纤。直接制备的Se/Te芯复合光纤纤芯为非晶态,研究对此光纤进行适当的后期处理,以实现光纤纤芯晶化,或纤芯微结构化,如此可提高光纤的光、电性能和传感性能。基于本课题组的光纤方面的技术积累,本研究成功制备出磷酸盐玻璃包层Se_(0.5)Te_(0.5)纤芯复合光纤。再采用热晶化工艺,提高了光纤在光电导性和压力传感等方面的性能,并探索了利用激光晶化光纤实现纤芯的晶化和结构转变技术。本文主要的研究内容如下:(1)研究了Se_(0.5)Te_(0.5)纤芯/磷酸盐玻璃包层复合光纤的制备技术:依据光纤匹配性要求,对Se_(0.5)Te_(0.5)纤芯复合光纤的包层玻璃进行了选择,确定多组分磷酸盐玻璃为匹配的光纤包层材料;熔制了大尺寸磷酸盐玻璃,组装了低损耗复合光纤预制棒;研究了利用熔融纤芯技术拉制复合材料光纤技术,获得了拉制Se_(0.5)Te_(0.5)纤芯/磷酸盐玻璃包层复合光纤的工艺参数,制备出纤芯直径为45μm,包层外直径为290μm的非晶态Se_(0.5)Te_(0.5)纤芯复合光纤;由于采用低温光纤拉制技术,较好控制了光纤制备过程中包层氧向纤芯的热扩散,使纤芯区域氧的质量分数仅为3%。(2)研究了热晶化Se_(0.5)Te_(0.5)纤芯/磷酸盐玻璃包层复合光纤的后处理技术:直接拉制的Se_(0.5)Te_(0.5)纤芯/磷酸盐玻璃包层复合光纤,纤芯为非晶态。此光纤经150°C下1小时热处理,得到晶态Se_(0.5)Te_(0.5)纤芯复合光纤。非晶态Se_(0.5)Te_(0.5)芯光纤无光电响应,而晶态Se_(0.5)Te_(0.5)芯光纤在633 nm激光照射下电导率达4.0×10~(-2)Ω~(-1)cm~(-1),是在黑暗条件下光纤电导率的60倍。并且,晶态Se_(0.5)Te_(0.5)芯光纤的电导率展示了应力敏感现象,当晶态Se_(0.5)Te_(0.5)纤芯光纤受到一个垂直于光纤轴向方向的作用力而发生弯曲变形时,其电导率(9.8×10~(-4)Ω~(-1)cm~(-1))是不受力条件下电导率(5.8×10~(-4)Ω~(-1)cm~(-1))的1.7倍。(3)研究了532 nm激光对非晶态Se_(0.5)Te_(0.5)纤芯/磷酸盐玻璃包层复合光纤纤芯微球化技术:使用250 mW 532 nm激光照射光纤,激光移动速度为2.45 mm/h时,在光纤纤芯空间得到Se_(0.5)Te_(0.5)微球。光纤纤芯中Se_(0.5)Te_(0.5)微球转化的同时,Se_(0.5)Te_(0.5)也从非晶态转变为晶态。先后用氢氟酸和稀盐酸对含有Se_(0.5)Te_(0.5)微球的复合光纤进行腐蚀,成功得到了晶态Se_(0.5)Te_(0.5)合金半导体微球。