西安光機所重金屬氧化物中紅外玻璃與光纖損耗超低控制機理與制備技術取得重要進展

  基于中紅外玻璃光纖開發的中紅外激光與新型超連續光源在生物醫學診斷、大氣與化學傳感監測、光探測與測距(激光雷達)等醫療、科研等領域都具有重要的用途。具有高熱穩、高抗激光損傷及較寬中紅外透過性能的重金屬氧化物中紅外玻璃,相較于更低軟化溫度的氟化物和硫系玻璃,更適于制備可實用化的低損耗空芯微結構光纖,代替當前的空芯石英光纖用于傳輸2-6 μm以上更長波長范圍的高功率中紅外激光,為解決高功率中紅外激光應用中的傳輸問題提供有效技術途徑。目前,降低重金屬氧化物中紅外玻璃中由于羥基的吸收損耗和重金屬離子還原引起的散射損耗,仍是實現重金屬氧化物中紅外玻璃應用于低損耗中紅外光纖器件亟待解決的根本問題。 

  近日,西安光機所先進光電與生物材料研究室特種激光玻璃與光纖方向王鵬飛研究員團隊在重金屬氧化物中紅外玻璃與光纖損耗超低控制機理與制備技術方面取得重要進展,相關研究成果Development of low-loss lead-germanate glass for mid-infrared fiber optics: I. Glass preparation Optimization. Development of low-loss lead-germanate glass for mid-infrared fiber optics: II. preform extrusion and fiber fabrication. 背靠背同期在線發表在玻璃與陶瓷領域國際知名及中科院一區材料期刊上《Journal of the American Ceramic Society(IF3.5)。 通過掌握重金屬氧化物中紅外軟玻璃低損耗制備技術和微結構光纖低損耗擠壓成型關鍵技術,為材料學科圍繞特種玻璃-光纖-應用一體化發展方向布局的穩步向前推進邁出了堅實一步。 

  1 鉛鍺酸鹽重金屬氧化物中紅外玻璃(a)氯化物除羥樣品的背景損耗與(b)擠壓法制備光纖的損耗對比 

  2 預制棒擠壓用鉛鍺酸鹽重金屬氧化物中紅外玻璃毛坯、擠壓成型預制棒芯棒和制備的損耗測試實芯光纖 

  相關工作研究揭示了鉛鍺酸鹽重金屬氧化物中紅外玻璃除羥基過程中重金屬鉛離子還原形成散射中心的主要影響因素及作用機理,綜合利用超純混合氣體、高效除水劑和原料組成調控重金屬氧化物玻璃的熔制氣氛,有效抑制玻璃中鉛金屬還原形成散射源及羥基吸收,克服了以往重金屬氧化物玻璃的純氧制備條件限制和熱性能降低的不足,獲得了低羥基、高熱穩的鉛鍺酸鹽重金屬氧化物玻璃。并結合后續熱處理闡明了玻璃熔制氣氛和預制棒擠壓氣氛對鉛鍺酸鹽重金屬氧化物中紅外玻璃的共同影響機制,通過優化預制棒擠壓成型工藝,最終成功制備了在1.55 μm背景損耗<0.3 dB/m的透3-5μm鉛鍺酸鹽重金屬氧化物中紅外玻璃光纖。相關機理將為含Pb, Bi, Te, Sb等重金屬氧化物中紅外玻璃及光纖的制備與損耗控制提供重要的理論指導。 

  該項研究工作是王鵬飛研究員團隊與澳大利亞阿德萊德大學光子與先進傳感研究所(Institute of Photonics and Advanced Sensing, The University of Adelaide)執行副所長Heike Ebendorff-Heidepriem教授 (OSA fellow)開展合作研究的重要成果代表。雙方還共同撰寫了Elsevier英文專著“Mid-infrared Fibre Photonics”中有關重金屬氧化物中紅外玻璃的章節(Chapter 3: Oxide glass and optical fibre fabrication),該書將于20215月之前正式出版問世。雙方將繼續在特種光學玻璃與光纖前沿研究領域進行科研項目合作、研究生與青年人才聯合培養、公派留學等多渠道開展持續性國際合作。 

  以上研究工作得到了國家留學基金委、中科院西部之光西部青年學者項目和中國科學院青年創新促進會的支持。(材料室  供稿)  

  論文鏈接:https://doi.org/10.1111/jace.17503; https://doi.org/10.1111/jace.17518  

  

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