复合玻璃光纤的纤芯单晶化研究
发布时间：2021-05-31 19:15
基于半导体材料独特的性质以及光纤的波导结构,半导体芯复合材料光纤在传感、非线性光学、能量转换等领域具有重要的应用前景。复合材料光纤的后处理技术因能调控复合材料光纤的纤芯结构从而实现光纤综合性能的提升,受到了越来越多的关注。目前激光热处理法已经实现了不同单晶半导体芯复合材料光纤的制备,改善了多种光纤性能,如降低光纤传输损耗,提升光电响应特性。但是,激光热处理法制备的单晶半导体芯复合材料光纤存在着纤芯应力分布不均、光纤长度较短等问题。本文选择半导体碲芯复合玻璃光纤作为研究对象,采用不同的复合材料光纤后处理技术,分别是激光热处理法与坩埚下降原理的下降热处理法,探索并实现了纤芯由多晶态向单晶态的转变过程,提高了光纤的光电、压力传感方面的性能。具体研究内容和研究成果如下:（1）研究了Te纤芯/硼硅酸盐玻璃包层复合光纤前驱体的制备。采用熔融芯法制备了包层外直径为800μm,纤芯直径为123μm的Te芯复合玻璃光纤。通过元素分析发现Si、O元素没有明显扩散进入纤芯的现象,纤芯保持较高的纯度。（2）研究了下降热处理法制备单晶Te芯复合玻璃光纤的电加热纤芯单晶化后处理技术。提出基于坩埚下降原理的复合光纤...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高压化学沉积法的原理图[36]
第一章绪论5化至满足拉丝条件时，纤芯处于熔融状态，随后纤芯熔体在包层玻璃的约束下被共同拉制成光纤。熔融芯法适用于制备非传统玻璃纤芯材料光纤，纤芯前驱体材料可以是晶体、非晶体、陶瓷等材料。由于光纤拉制过程使用了成熟度较高的商用拉丝塔，此方法具有操作简单，光纤尺寸灵活易变，光纤长度不受限的特点。虽然优势明显，熔融芯法同时存在一些难以避免的缺陷。例如，在光纤拉制过程中，软化的玻璃包层直接与纤芯熔体接触，因此二者之间必将存在热激活引起的元素间溶解和扩散，并且这个过程随着拉丝温度的升高而愈发剧烈；由于纤芯材料和包层玻璃的热膨胀系数具有差异，因此纤芯与包层在冷却后存在残余应力，应力过大时甚至会导致光纤破裂；纤芯材料的熔点不仅要低于包层玻璃的软化温度，还应对包层玻璃具有良好的润湿性以形成良好的芯包界面。(3)压力辅助熔体填充法压力辅助熔体填充法（PAMF）的主要思想，是将材料加热熔化为流动性较强的熔体，然后利用外部压力泵送熔体填充于具有孔道的光纤中。PAMF法成功制备复合光纤需要满足的一般条件为：待填充熔体的黏度值足够低（一般小于10Pa·s）；包层玻璃的软化点应高于待填充熔体的温度；对熔体起容纳作用的包层玻璃化学稳定性强，不与之发生反应。这种方法适用范围较广，通过此法已经能将一些熔点较低的金属，硫系玻璃，半导体等材料复合于光纤结构中。与熔融芯法相比，PAMF法制备光纤时不需要特别考虑包层玻璃与填充纤芯材料的热膨胀系数差异问题，但其设备的大小直接限制光纤制备长度。图1-2压力辅助熔体填充法的原理图[37]Fig.1-2Schematicdiagramofpressureassistedmeltfillingmethod[37]
华南理工大学硕士学位论文6(4)后期处理法通常以上三种方法制备的复合玻璃光纤纤芯一般为非晶态或多晶态，而很难得到单晶态。复合玻璃光纤的后期处理就是期望通过调控复合光纤的纤芯结构从而提升光纤某些性能，例如将非晶态半导体芯复合光纤处理为单晶态半导体芯光纤，能够大幅度提升其光电响应特性，降低光学传输损耗。在此背景下，近年来出现了不同的后期处理方法，主要包括二步热处理法以及激光热处理法。二步热处理法[38]的主要思想是通过对复合光纤进行两次普通热处理，分步控制无定形态纤芯的晶体形核与晶体生长，在纤芯中生长一定均匀尺寸的晶粒，得到多晶态纤芯复合光纤。此法的特点是成本低廉，但仅能在纤芯结构中控制多晶生长，原理上无法制备出单晶纤芯，因此光纤性能不能得到最大幅度的改善。图1-3Si纤芯石英包层复合光纤的激光热处理过程示意图[16]Fig.1-3Schematicdiagramoflaserannealingofsiliconcoresilicacladmultimaterialfiber[16]激光热处理是指利用激光对光纤材料直接辐照产生热效应，使纤芯局部区域达到熔融状态，然后移动激光使纤芯内部产生定向重结晶。此过程中光纤玻璃包层充当坩埚的作用，使光纤在激光热处理前后维持原有的几何形态。依据晶体生长的几何淘汰规律，在合理的工艺制度下无籽晶也能够实现单晶化复合光纤纤芯。目前多数复合光纤的激光热处理研究都使用CO2激光为加热源，10.6μm波段的CO2激光能够被常见的石英玻璃、硅酸盐基质玻璃强烈吸收。此外也可根据纤芯与包层材料的光学特性选择某些特殊波长的激光，使激光透过光纤包层对纤芯实现直接加热。相较而言，直接加热纤芯需要的激光功率更校激光热处理不仅可以用于单晶纤芯复合光纤的制备，还能在复合光纤的纤
【参考文献】：
期刊论文
[1]超连续谱激光光源研究进展[J]. 杨未强,宋锐,韩凯,侯静. 国防科技大学学报. 2020(01)
[2]晶体光纤及晶体衍生光纤制备与应用综述[J]. 刘兆军,高悉宝,丛振华,邵贤彬,谢永耀,蒋明渊,王上,赵智刚,张行愚. 光子学报. 2019(11)
[3]微晶玻璃光纤的研究进展[J]. 方再金,郑书培,关柏鸥,邱建荣. 激光与光电子学进展. 2019(17)
[4]微结构光纤的研究进展及展望[J]. 夏长明,周桂耀. 激光与光电子学进展. 2019(17)
[5]单晶光纤制备及单晶光纤激光器研究进展[J]. 王涛,张健,张娜,武柏屹,王思媛,贾志泰,陶绪堂. 激光与光电子学进展. 2019(17)
[6]微结构和集成式功能光纤的制备和潜在应用[J]. 廉正刚,陈翔,王鑫,娄淑琴,郭臻,皮亚斌. 激光与光电子学进展. 2019(17)
[7]坩埚下降法在新材料探索及晶体生长中的应用[J]. 徐家跃,申慧,金敏,张彦,田甜,陈媛芝,周鼎,储耀卿. 人工晶体学报. 2019(06)
[8]微下拉晶体光纤生长设备研制及YAG单晶生长[J]. 原东升,贾志泰,舒骏,李阳,董春明,陶绪堂. 人工晶体学报. 2014(06)
[9]红外AgCl单晶光纤的研制[J]. 钟宏杰,王一丁. 吉林大学学报(理学版). 2002(01)
[10]从室温到1800℃全程测温的蓝宝石单晶光纤温度传感器[J]. 沈永行. 光学学报. 2000(01)
博士论文
[1]碲微纳材料制备及其传感器件研究[D]. 梁涛.北京科技大学 2015
硕士论文
[1]蓝宝石单晶光纤包层制备的研究[D]. 海珊.吉林大学 2019
[2]连续激光辐照金属材料和半导体材料的热效应分析[D]. 赵凤艳.长春理工大学 2011
[3]激光与半导体材料相互作用的热效应分析[D]. 黎小鹿.江西师范大学 2008
本文编号：3208817
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高压化学沉积法的原理图[36]
第一章绪论5化至满足拉丝条件时，纤芯处于熔融状态，随后纤芯熔体在包层玻璃的约束下被共同拉制成光纤。熔融芯法适用于制备非传统玻璃纤芯材料光纤，纤芯前驱体材料可以是晶体、非晶体、陶瓷等材料。由于光纤拉制过程使用了成熟度较高的商用拉丝塔，此方法具有操作简单，光纤尺寸灵活易变，光纤长度不受限的特点。虽然优势明显，熔融芯法同时存在一些难以避免的缺陷。例如，在光纤拉制过程中，软化的玻璃包层直接与纤芯熔体接触，因此二者之间必将存在热激活引起的元素间溶解和扩散，并且这个过程随着拉丝温度的升高而愈发剧烈；由于纤芯材料和包层玻璃的热膨胀系数具有差异，因此纤芯与包层在冷却后存在残余应力，应力过大时甚至会导致光纤破裂；纤芯材料的熔点不仅要低于包层玻璃的软化温度，还应对包层玻璃具有良好的润湿性以形成良好的芯包界面。(3)压力辅助熔体填充法压力辅助熔体填充法（PAMF）的主要思想，是将材料加热熔化为流动性较强的熔体，然后利用外部压力泵送熔体填充于具有孔道的光纤中。PAMF法成功制备复合光纤需要满足的一般条件为：待填充熔体的黏度值足够低（一般小于10Pa·s）；包层玻璃的软化点应高于待填充熔体的温度；对熔体起容纳作用的包层玻璃化学稳定性强，不与之发生反应。这种方法适用范围较广，通过此法已经能将一些熔点较低的金属，硫系玻璃，半导体等材料复合于光纤结构中。与熔融芯法相比，PAMF法制备光纤时不需要特别考虑包层玻璃与填充纤芯材料的热膨胀系数差异问题，但其设备的大小直接限制光纤制备长度。图1-2压力辅助熔体填充法的原理图[37]Fig.1-2Schematicdiagramofpressureassistedmeltfillingmethod[37]
华南理工大学硕士学位论文6(4)后期处理法通常以上三种方法制备的复合玻璃光纤纤芯一般为非晶态或多晶态，而很难得到单晶态。复合玻璃光纤的后期处理就是期望通过调控复合光纤的纤芯结构从而提升光纤某些性能，例如将非晶态半导体芯复合光纤处理为单晶态半导体芯光纤，能够大幅度提升其光电响应特性，降低光学传输损耗。在此背景下，近年来出现了不同的后期处理方法，主要包括二步热处理法以及激光热处理法。二步热处理法[38]的主要思想是通过对复合光纤进行两次普通热处理，分步控制无定形态纤芯的晶体形核与晶体生长，在纤芯中生长一定均匀尺寸的晶粒，得到多晶态纤芯复合光纤。此法的特点是成本低廉，但仅能在纤芯结构中控制多晶生长，原理上无法制备出单晶纤芯，因此光纤性能不能得到最大幅度的改善。图1-3Si纤芯石英包层复合光纤的激光热处理过程示意图[16]Fig.1-3Schematicdiagramoflaserannealingofsiliconcoresilicacladmultimaterialfiber[16]激光热处理是指利用激光对光纤材料直接辐照产生热效应，使纤芯局部区域达到熔融状态，然后移动激光使纤芯内部产生定向重结晶。此过程中光纤玻璃包层充当坩埚的作用，使光纤在激光热处理前后维持原有的几何形态。依据晶体生长的几何淘汰规律，在合理的工艺制度下无籽晶也能够实现单晶化复合光纤纤芯。目前多数复合光纤的激光热处理研究都使用CO2激光为加热源，10.6μm波段的CO2激光能够被常见的石英玻璃、硅酸盐基质玻璃强烈吸收。此外也可根据纤芯与包层材料的光学特性选择某些特殊波长的激光，使激光透过光纤包层对纤芯实现直接加热。相较而言，直接加热纤芯需要的激光功率更校激光热处理不仅可以用于单晶纤芯复合光纤的制备，还能在复合光纤的纤
【参考文献】：
期刊论文
[1]超连续谱激光光源研究进展[J]. 杨未强,宋锐,韩凯,侯静. 国防科技大学学报. 2020(01)
[2]晶体光纤及晶体衍生光纤制备与应用综述[J]. 刘兆军,高悉宝,丛振华,邵贤彬,谢永耀,蒋明渊,王上,赵智刚,张行愚. 光子学报. 2019(11)
[3]微晶玻璃光纤的研究进展[J]. 方再金,郑书培,关柏鸥,邱建荣. 激光与光电子学进展. 2019(17)
[4]微结构光纤的研究进展及展望[J]. 夏长明,周桂耀. 激光与光电子学进展. 2019(17)
[5]单晶光纤制备及单晶光纤激光器研究进展[J]. 王涛,张健,张娜,武柏屹,王思媛,贾志泰,陶绪堂. 激光与光电子学进展. 2019(17)
[6]微结构和集成式功能光纤的制备和潜在应用[J]. 廉正刚,陈翔,王鑫,娄淑琴,郭臻,皮亚斌. 激光与光电子学进展. 2019(17)
[7]坩埚下降法在新材料探索及晶体生长中的应用[J]. 徐家跃,申慧,金敏,张彦,田甜,陈媛芝,周鼎,储耀卿. 人工晶体学报. 2019(06)
[8]微下拉晶体光纤生长设备研制及YAG单晶生长[J]. 原东升,贾志泰,舒骏,李阳,董春明,陶绪堂. 人工晶体学报. 2014(06)
[9]红外AgCl单晶光纤的研制[J]. 钟宏杰,王一丁. 吉林大学学报(理学版). 2002(01)
[10]从室温到1800℃全程测温的蓝宝石单晶光纤温度传感器[J]. 沈永行. 光学学报. 2000(01)
博士论文
[1]碲微纳材料制备及其传感器件研究[D]. 梁涛.北京科技大学 2015
硕士论文
[1]蓝宝石单晶光纤包层制备的研究[D]. 海珊.吉林大学 2019
[2]连续激光辐照金属材料和半导体材料的热效应分析[D]. 赵凤艳.长春理工大学 2011
[3]激光与半导体材料相互作用的热效应分析[D]. 黎小鹿.江西师范大学 2008
本文编号：3208817
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