红外光纤材料硫卤玻璃的组成、结构与性能研究

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1、摘要为探索新型透红外材料和光纤放大器的基质玻璃材料。本文通过x射线衍射分析、密度测试、差热分析、抗潮解性能测试、FTIR和uV-Vis光谱以及Raman光谱分析等方法，对GeS2一Ga2S3一CsCI、GeSz—GazS3-Agl和As2S3．Pbl2三系统硫卤玻璃的制各与形成、光学、热学性能以及微结构等进行了较为系统的研究。GeSz-Ga2S3．CsCl系统玻璃形成能力良好，转变温度Tg在175～375℃之间，大部分玻璃有较强的抗结晶热稳定性；GeS2／Ga2S3=4时，随CsCI掺量增加，Tg先下降后稍有增加，然后继

2、续下降，而密度先上升后下降，在2．82～3．059／cm3之间。由杂质基团Ge．O键引起的红外截止波长在12．8pm附近，红外透过率达80％：随CsCI含量的增加。紫外吸收限向短波方向位移，从453nm移至410nm，且透过率增加。CsCI破坏玻璃中S3Ga—GaS3金属一金属键连接和GaS。四面体的共边连接，形成cl。Ga键，产生复合阴离子团[Ga2S2S2aCl2】2-；网络形成体仍为GeSz，【GeS4a]四面体顶角相连构成三维空间网络结构，Ga2S3为网络中间体，cs+则充当网络修饰体．作为电荷补偿剂填充于【Ga

3、2s2s2，2c12]2-形成的网络空隙。GeS2．Ga2S3．AgI系统玻璃成玻区较窄，其边界从GeS2顶点延伸至含GeS240％的组成，当AgI含量小于33％时可以得到稳定的块状玻璃。其转变温度在170～353。C之间；当A91]Ga2S3=2时，随AgI掺量的增加，Tg和Tx基本上呈线性减少．且4T和日值下降；密度却呈线性增大，在2．84～3．939／cm5之间。玻璃具有较好的化学稳定性，红外截止波长位于11．04I_tm附近，由Ge．s、Ga—s键多声子吸收引起。Agl的加入并未改变网络形成体的近程结构，【GeS

4、4】和[GaS4】四面体通过桥s连接形成三维无序网络状结构，AgI作为网络修饰体分布于其中。在冰水淬冷情况下．As2S3一Pbl2二元系统玻璃中Pbl2最大摩尔分数可达25％；玻璃化学稳定性良好，转变温度介于194～201℃之间，并随着Pbl2掺量增加而降低；微结构为网络形成体As2S3以[AsS3a]三．角锥结构单元存在，通过共用s或s．S连结形成无序网络状结构；八面体构型的配位多面体[Pbl6】为网络修饰体，通过s．I键与[AsS3，2】三角锥连接，均匀地分布于玻璃网络中。实验结果表明；三个系统的玻璃均为较有前途的中

5、远红外光纤材料，且GeS2一Ga2S3一CsCl玻璃是潜在的稀土离子掺杂1．3p．m光纤放大器的基质材料。关键词：硫卤玻璃，红外光纤材料，性能，玻璃结构，玻璃形成武汉理工大学硕士学位论文第一章引言1．1红外光纤的研究背景光纤作为光通信的传输媒介，以其大容量、宽频带等优点使得通信技术发生了一次重大变革，当前正在蓬勃发展的信息高速公路，正是依靠高性能的光纤、光缆组成的通讯网络，它将把人类社会带进真正意义的信息社会。现今，光纤不仅仅只作为光通信介质，光纤的组成已由氧化物扩展到非氧化物、高分子材料等，在制各工艺上，已由气相沉积工

6、艺向着溶胶凝胶、机械挤压成型等多种新工艺发展；在性能上，已开展了范围广泛的具备各类光学性能和电学性能等光纤的研究；在应用方面，已出现了如保偏光纤、红外光纤、光纤放大器等新型光纤。它们正在从实验室走向实际应用，影响着社会的各个方面，造福着人类。1966年，英籍华人科学家高琨(Charles．K．Kao)首次提出解决玻璃纯度和成分问题就能获得光传输损耗极低的玻璃纤维，并随之通过实验解决材料问题，取得了举世公认的理论突破。依据这一理论，1970年美国康宁公司率先用气相沉积法拉制出长200m，损耗为20dB／km的石英光纤，这是

7、世界上制成的第一根有实用价值的单模光纤。1976年，日本通用电气研究所研制成世界上第一根红外光纤，响应波长为1．29in。经过多年研究，现代光纤性能有了很大改进。目前实用范围最广、最普遍的是以全石英为基础材料制成的光纤，利用其在1．3“m一1．5¨m波长区的低色散和低损耗特性来实现光纤通讯。但由于材料的损耗受瑞利散射和红外多声子吸收的限制。以石英为基础的光纤的工作波长不能大于2．19m，且损耗不能低于0．1dB／km，从而限制了无中继通信的距离。因此为了能在更长无中继距离和更低损耗下工作，很多国家积极于开展超长波段红外光

8、纤通信研究。理论上红外光纤的极限损耗比石英光纤的损耗要低得多，可以进行几百公里以上长距离无中继通信。武汉璎二l二火学硕士学位论文能萋健输使光纤按零应用进入另～个崭掰领域。这类能薰传输光纤除应用子太阳光传输外，还可用于激光传输，用于激光医学和材辩加工领域。C02激光器是工业和医学上广泛采用的分子激光器。工业应用主要取决