光学玻璃具有较高的内能,利用玻璃的介稳状态特性,通过热力学控制可在玻璃中析出晶体,从而制备出微晶玻璃。微晶玻璃又叫玻璃陶瓷,按玻璃基质,微晶玻璃可分为硅酸盐系统、铝硅酸盐系统、硼硅酸盐系统、硼酸盐系统、磷酸盐系统和氟氧化物系统六大类。


微晶玻璃作为一种性能优异的结构材料,具有良好的机械性能和较低的热膨胀系数,被广泛应用于建筑、国防﹑工业及民用等领域。


微晶玻璃中的玻璃相使其具有良好的光学透过性,析出的功能晶体可为发光激活离子引入较强的晶体场环境,从而提高发光效率并调控发光范围。因此,微晶玻璃也是一种优异的光学增益材料,可将玻璃与晶体材料的优点有机地结合在一起。


微晶玻璃光纤


微晶玻璃光纤,即以微晶玻璃作为工作物质的光纤。微晶玻璃中大量的玻璃相可为光纤提供良好的光学透过性,同时玻璃相的可加工性为光纤的制备提供了便利条件。


在光纤中可控地析出微小粒径的功能晶体,在不影响光纤传输损耗的前提下,为发光激活离子引入强晶体场环境,以解决传统玻璃光纤发光效率低下的问题。


此外,还可在光纤中析出微小粒度的非线性功能晶体,进一步拓宽光纤的应用领域。


一般情况下,在用传统的管棒法制备光纤时,玻璃要再一次经历加热的过程。由于玻璃的热力学介稳特性,在拉制成光纤时玻璃具有很大的析晶趋势,而且拉丝温度下的析晶过程大多不可控,大颗粒晶体析出概率大幅度提升,从而易引入严重的散射与损耗。


为获得高质量、低损耗的微晶玻璃光纤,制定出高效的光纤拉丝工艺,避免光纤拉制过程中晶体的不可控析出至关重要。


到目前为止,国内外多个团队对微晶玻璃光纤的制备技术已进行了一系列的探索与研究,主要研究的光纤种类有:1)稀土离子掺杂微晶玻璃光纤;2)过渡金属离子掺杂微晶玻璃光纤;3)量子点微晶玻璃光纤;4)倍频(SHG)微晶玻璃光纤。


稀土离子掺杂微晶玻璃光纤


稀土离子掺杂氧化物玻璃具有良好的热力学稳定性,但氧化物玻璃网络的声子能量普遍较高,限制了光纤增益效率的进一步提升。


氟化物晶体(LaFSrFNaYF等)具有极低的声子能量,能为稀土离子提供合适的格位环境,是一种高发光效率的基质材料。在氧化物玻璃中掺入氟化物组分,通过热处理可析出氟化物晶体,从而制成氟氧化物微晶玻璃。


稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃可兼具良好的稳定性与高效的发光特性,将其制备成光纤材料是提高稀土离子掺杂光纤发光效率的一种有效途径。


稀土离子掺杂的玻璃光纤已经在近红外波段获得多种激光输出,技术相对成熟。而中红外和上转换发光对光纤材料的晶体场环境非常敏感,这将是稀土离子掺杂微晶玻璃光纤应用研究的重要突破口。


过渡金属离子掺杂微晶玻璃光纤


过渡金属离子是实现宽带可调谐光纤激光的一种理想激活离子。然而,在具有弱晶体场环境的玻璃网络中,非辐射跃迁概率高,过渡金属离子的发光效率极低,无法有效获得光学增益。


而在微晶玻璃中,由于强晶体场环境的引入,过渡金属离子的宽带发光效率大幅度提高,还可以通过引入不同的晶体环境对其发光中心波长在较大范围内进行调节。


因此,研究过渡金属离子掺杂微晶玻璃光纤对推动可调谐光纤激光器的发展具有重要的意义。


对于稀土离子,在玻璃光纤中已经获得了大量的激光输出,微晶玻璃光纤的作用仅仅是增强其激光效率。而对于Cr4+ Ni2+等过渡金属离子,在玻璃光纤中几乎观测不到发光现象,微晶玻璃光纤的作用是实现发光从无到有的蜕变。由此可见,过渡金属离子掺杂微晶玻璃光纤的研制需求更加迫切。


由于过渡金属离子的发光效率较稀土离子低,目前还未在过渡金属离子掺杂的微晶玻璃光纤中获得过激光输出,还需进一步优化工艺,使晶体带来的增益远远大于所造成的损耗。


量子点掺杂微晶玻璃光纤


量子点属于半导体材料,具有宽带发光特性。由于量子限域效应,量子点材料的发光中心波长范围会随着其颗粒大小而变化。因此,量子点掺杂玻璃是实现可调谐光纤激光的又一选择。


固态玻璃光纤具有极好的光学特性、优良的热力学稳定性及较低的传输损耗。在此前很长一段时间里,并没有高质量全固态量子点掺杂光纤的研究报道。主要原因是用rod in tube法制备量子点掺杂光纤时,拉丝温度下量子点极易析出并迅速长大,光纤整体变黑,这大大增加了光纤的传输损耗甚至会导致发光淬灭。


倍频微晶玻璃光纤


倍频晶体是一种具有二次谐波效应的非线性晶体,不需要掺入激活离子就能将激光信号进行频率转换,在光学系统中得到了广泛的应用。


若将倍频晶体引入光纤中制成微晶玻璃光纤,则可在全光纤网络系统中对高光束质量的激光进行频率转换,而且这种转换不依赖入射激光频率。


因此,倍频微晶玻璃光纤在光学集成器件和全光网络系统中具有很好的应用价值。


Melt in tube法同样也适用于制备BaTiSiO微晶玻璃光纤。这种倍频微晶玻璃光纤的包层材料为石英玻璃,可与石英光纤对接,实现光纤激光的频率转换,在光纤网络系统中有着巨大的应用潜力。