一種高性能硫系玻璃微球及制備方法技術(shù)

一種高性能硫系玻璃微球及制備方法，屬于光學(xué)微球和紅外傳感材料。微球的化學(xué)組成為GexAsyS100-x-y，其中8≤x≤12，20≤y≤32；微球通過對‘硫系玻璃/聚合物’復(fù)合光纖進(jìn)行熱處理獲得，該復(fù)合光纖通過對‘硫系玻璃/聚合物’預(yù)制棒在光纖拉絲塔上拉制獲得。本發(fā)明專利技術(shù)制備的硫系玻璃微球的直徑為8~300μm，偏心度≤1%，表面光潔度≤1nm，微腔品質(zhì)因子Q≥1x105，激光損傷閾值≥400GW/cm2(5.3μm,150fs，1kHz)。可應(yīng)用于分子傳感和紅外光學(xué)領(lǐng)域。優(yōu)點：1.玻璃的光致折射率變化極小，光學(xué)穩(wěn)定性好；2.微球的抗激光損傷閾值較高，作為光學(xué)微腔可傳輸較大的激光功率；3.制備工藝簡單，成本很低，一次可制備大量尺寸均勻的高質(zhì)量微球。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種光學(xué)微球及制備方法，特別是。
技術(shù)介紹
光學(xué)微腔是一種尺寸在微米量級或者亞微米量級的光學(xué)諧振腔，它利用在折射率不連續(xù)的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效應(yīng)，將光限制在一個很小的區(qū)域。在光學(xué)微腔(微環(huán)、微盤、微球、光子晶體)中，球形腔具有最佳限制光在腔內(nèi)循環(huán)的能力，可以具有極高的品質(zhì)因數(shù)(Q)和極小的模式體積，在高靈敏傳感器、窄帶光學(xué)濾波、極低閾值激光器、非線性光學(xué)、腔體量子電動力學(xué)等許多研究與應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前光學(xué)微腔技術(shù)主要局限在可見光和近紅外區(qū)域，鮮有工作在中紅外區(qū)域的諧振微腔的報道。盡管氧化物材料已被廣泛應(yīng)用于制備高Q諧振腔，但它們的透光范圍一般局限于2pm以下，無法用于探測分子振動模、中紅外光學(xué)激光器和濾波器等領(lǐng)域。另一方面，硫系玻璃(玻璃組成的典型特征是含有S、Se、Te中的至少一種元素且不含氧元素)在中紅外波段具有優(yōu)異的透光性。根據(jù)玻璃的組成，其透射范圍可涵蓋可見光到長波紅外22 u m0得益于此，硫系玻璃光學(xué)元件在化學(xué)和生物傳感、中紅外光譜應(yīng)用等方面得到了較廣泛關(guān)注。所報道的硫系玻璃微腔中，最高Q值是2xl06 (1.55 iim)，在As2S3微球上獲得，其次是2xl05 ( 1.55 iim)，在As2S3微盤上獲得。已報道的硫系玻璃微球的制備方法主要有兩種，一種是使玻璃粉末以自由落體形式豎直通過惰性氣氛保護(hù)的高溫管式爐時受熱自然形成微球，然而采用此方法獲得的微球受重力影響較大，工藝很難控制，微球的Q值較小(報道值小于IO5);另一種方法是在惰性氣氛下采用聚焦激光或環(huán)形加熱器對光纖的細(xì)小頭部進(jìn)行加熱獲得微球。由此獲得的微球與光纖的頂端相連接，便于移動操作和定位，上述報道的具有最高Q值的硫系玻璃微球(Q=2 X IO6)就是采用這種方法制備的，但用這種方法每次只能制備一個微球，且很難得到較完美的球形。理論分析顯示，硫系玻璃微球在I Pm、1.55iim和3iim波長的極限Q值分別可達(dá)到109、7xl09和4xl010。由于材料的吸收、表面的散射及形狀的不完美，實驗中獲得的微球Q值比理論值小幾個數(shù)量級。目前硫系玻璃微球存在的關(guān)鍵問題是:1.大部分硫系玻璃微球具有光敏性，特別是光致折射率變化，導(dǎo)致微球光學(xué)性能不穩(wěn)定；2.能夠傳輸?shù)墓β瘦^低，易損傷；3.制備方法效率低，成本高。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于，提供，解決常用硫系玻璃微球光學(xué)性能不穩(wěn)定、傳輸功率低和制備效率低的問題。本專利技術(shù)的目的是這樣實現(xiàn)的，本專利技術(shù)的高性能硫系玻璃微球的化學(xué)組成為GexAsyS1(l(l_x_y，其中 8 ≤ X ≤ 12，20 ≤ y ≤ 32。硫系玻璃微球通過對‘硫系玻璃/聚合物’復(fù)合光纖進(jìn)行熱處理獲得，該復(fù)合光纖通過對‘硫系玻璃/聚合物’預(yù)制棒在光纖拉絲塔上拉制獲得；具體步驟如下: (1)將與選定微球組成相同的硫系玻璃棒表面拋光，然后用聚合物薄膜將玻璃棒卷緊至≥3倍玻璃棒直徑作為包層，放入真空爐中，抽真空至IPa以下，加熱升溫至24(T250°C，并保溫IOlOmin使聚合物包層密實，之后冷卻至室溫； (2)將帶聚合物包層的硫系玻璃棒在光纖拉絲塔上拉成所需直徑的光纖；對于lOOlOOym的光纖可一次拉成，對于直徑小于IOOym的光纖，可采用多次拉纖法獲得單芯光纖，或采用傳統(tǒng)堆-拉法獲得所需直徑的多芯光纖； (3 )將帶有聚合物包層的硫系光纖放入石英管式爐中，加熱至30(T350°C，保溫1(T60分鐘，光纖聚合物包層內(nèi)的玻璃會斷開并形成大量尺寸均勻的微球； (4)將熱處理后的光纖放入N，N- 二甲基乙酰胺(DMAC)溶劑中，微球表面的聚合物層溶解后即得本專利技術(shù)所述的硫系玻璃微球。 所述的聚合物薄膜是聚醚砜樹脂PES ;或者所述的聚合物薄膜是聚醚酰亞胺PEI。 有益效果，由于采用了上述方案，利用平均配位數(shù)位于2.4^2.5內(nèi)的光致穩(wěn)定Ge-As-S玻璃，同時利用粘性連續(xù)液體在毛細(xì)管中的不穩(wěn)定性，對‘硫系玻璃/聚合物’復(fù)合光纖進(jìn)行熱處理獲得了大量尺寸均勻的高質(zhì)量硫系玻璃微球。微球的直徑可通過控制復(fù)合光纖芯徑來實現(xiàn)；由于高溫聚合物皮料的束縛，依靠表面張力自然形成的微球受重力的影響大大減小，有利于球形趨于完美。所述硫系玻璃微球的直徑為8~300 u m，偏心度< 1%，表面光潔度≤lnm，微腔品質(zhì)因子Q≥lxlO5，激光損傷閾值≥400GW/cm2?？蓱?yīng)用于化學(xué)和生物分子傳感和紅外光學(xué)領(lǐng)域。與現(xiàn)有硫系玻璃微球和制備方法相比，本專利技術(shù)所述微球和制備方法具有如下優(yōu)點:1.玻璃的光致折射率變化極小，光學(xué)穩(wěn)定性好；2.微球的抗激光損傷閾值較高，作為光學(xué)微腔可傳輸較大的激光功率；3.制備工藝簡單，成本很低，一次可制備大量尺寸均勻的高質(zhì)量微球?！靖綀D說明】圖1是本專利技術(shù)的熱處理后光纖中形成的微球光學(xué)照片。圖2是本專利技術(shù)的聚合物溶解后獲得的大量微球掃描電鏡照片。【具體實施方式】下面將通過實施例進(jìn)一步說明本專利技術(shù)的實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步，但本專利技術(shù)并非僅限于所舉之例。實施例1:硫系玻璃微球的組成為Ge8As32S6tl ； 將組成為Ge8As32S6tl、直徑為8mm的硫系玻璃棒表面拋光，然后用厚度為125 u m的聚醚砜樹脂PES薄膜將玻璃棒卷緊至直徑為25mm，放入真空爐中，抽真空至IPa以下，加熱升溫至240°C，并保溫30分鐘使PES包層密實，之后冷卻至室溫；將所得帶PES包層的復(fù)合光纖預(yù)制棒在光纖拉絲塔上拉成直徑為3mm的細(xì)棒(玻璃芯徑約為1mm);截取長度150mm的細(xì)棒，用厚度為75iim的PES薄膜再次將細(xì)棒卷緊至直徑為25mm，放入真空爐中，抽真空至IPa以下，緩慢加熱升溫至240°C，并保溫30分鐘使PES包層密實，之后冷卻至室溫；將所得復(fù)合光纖預(yù)制棒在光纖拉絲塔上拉成直徑為1mm的光纖(玻璃芯徑約為40 u m);將30cm所得帶有PES包層復(fù)合光纖放入石英管式爐中，加熱至300°C，保溫60分鐘，光纖聚合物包層內(nèi)的玻璃會斷開并形成大量尺寸均勻的微球，如圖1所示；將熱處理后的光纖放入100mlN，N- 二甲基乙酰胺(DMAC)溶劑中，微球表面的PES溶解后得到制備的Ge8As32S6tl微球，如圖2所示。玻璃微球的直徑和偏心度通過SEM照片計算，微球表面光潔度通過Veeco WykoNT9100光學(xué)輪廓儀表征，微腔品質(zhì)因子Q通過傳統(tǒng)錐形光纖耦合測量系統(tǒng)測得，玻璃的激光損傷閾值采用端面損傷法估算。檢測結(jié)果顯示:微球的直徑為4(T42 u m,偏心度0.5%，表面光潔度0.5nm,微腔品質(zhì)因子 Q=3xl06 (1.55iim)，激光損傷閾值為 400GW/cm2 (5.3 u m, 150fs，IkHz)。實施例2:硫系玻璃微球的組成為GeltlAs24S66 ； 將組成為GeltlAs24S66、直徑為6mm的硫系玻璃棒表面拋光，然后用厚度為75 y m的聚醚酰亞胺PEI將玻璃棒卷緊至直徑為25mm，放入真空爐中，抽真空至IPa以下，加熱升溫至245°C，并保溫20分鐘使PEI包層密實，之后冷卻至室溫；將所得帶PEI包層的復(fù)合光纖預(yù)制棒在光纖拉絲塔上拉成直徑為2mm的細(xì)棒(玻璃芯徑約為500 u m);截取長度150mm的細(xì)棒，將7根細(xì)棒堆積成直徑本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種高性能硫系玻璃微球，其特征是：微球的化學(xué)組成為GexAsyS100?x?y，其中8?≤?x?≤12，20≤?y?≤32。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種高性能硫系玻璃微球，其特征是:微球的化學(xué)組成為GexAsySm，其中8≤X≤ 12,20 ≤ y ( 32。2.—種權(quán)利要求1所述的硫系玻璃微球的制備方法，其特征是:硫系玻璃微球通過對‘硫系玻璃/聚合物’復(fù)合光纖進(jìn)行熱處理獲得，該復(fù)合光纖通過對‘硫系玻璃/聚合物’預(yù)制棒在光纖拉絲塔上拉制獲得；具體步驟如下: (1)將與選定微球組成相同的硫系玻璃棒表面拋光，然后用聚合物薄膜將玻璃棒卷緊至≥3倍玻璃棒直徑作為包層，放入真空爐中，抽真空至IPa以下，加熱升溫至24(T250°C，并保溫IOlOmin使聚合物包層密實，之后冷卻至室溫； (2)將帶聚合物包層的硫系玻璃棒在光纖拉...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊志勇，任和，楊安平，張斌，陶海征，王榮平，張鳴杰，郭威，楊艷，唐定遠(yuǎn)，
申請(專利權(quán))人：江蘇師范大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：