本發(fā)明涉及光纖器件，具體涉及一種光熱折變玻璃材料制作的梯度折射率光纖。

背景技術(shù)：

1、光熱折變玻璃(photo-thermo-refractiveglass，簡(jiǎn)稱(chēng)ptrg)是一種新型的光敏玻璃材料。這種材料在紫外光輻照及熱處理后可以在玻璃體內(nèi)析出氟化鈉晶體，析晶過(guò)程伴隨著永久性負(fù)折射率調(diào)制(折射率調(diào)制幅度可以高達(dá)1000ppm)。利用這種材料的光敏性質(zhì)，對(duì)玻璃材料進(jìn)行紫外光全息曝光，并在合理的溫度下進(jìn)行熱處理，可以在玻璃基片上形成周期的折射率調(diào)制。而且，這種玻璃材料還具有光學(xué)均勻性好，透光度好，以及化學(xué)均勻性好等一系列優(yōu)異性質(zhì)。這材料可以用于多種光學(xué)元件的制造，特別適合于制作體相位光柵。這種體相位光柵具有優(yōu)異的頻率選擇性，可用于激光器的選頻和穩(wěn)頻，被稱(chēng)為激光器的“定海神針”，是高性能激光器制作不可或缺的器件。此外，這種器件還可以實(shí)現(xiàn)角度選擇、光譜合束、脈沖壓縮等，并可用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備。

2、應(yīng)用最多的光熱折變玻璃主成分為na2o–zno–al2o3–sio2,并摻有ag+、ce4+和f-等成分,其折射率發(fā)生改變的原因是在紫外曝光并熱處理后納米尺寸的naf晶體的析出。

3、近年來(lái)，光熱折變玻璃材料在光纖和光波導(dǎo)器件中的應(yīng)用受到越來(lái)越多的重視。研究者們嘗試采用多種方法在這種材料上制作光波導(dǎo)和光纖器件。2013年p.hofmann等采用光熱折變玻璃玻璃材料制作了無(wú)包層光纖，他們的制作方法是將光熱折變玻璃材料預(yù)制棒拉成直徑60-135μm的纖維(p.hofmannetal,"strong?bragggratingsinhighlyphotosensitivephoto-thermo-refractive-glassoptical?fiber,"ieeephotonicstechnologyletters,vol.25,(1),pp.25-28,2013)；2014年，與p.hofmann同一個(gè)研究小組的k.alyahyaei等發(fā)表論文，采用管-棒法(rod-in-tube)ptr材料實(shí)現(xiàn)了光纖制作了階躍折射率變化光纖(k.alyahyaeiet?al,"highlyphotosensitivefiberfabricatedfromphoto-thermo-refractiveglass,"in2014)。上述第一種無(wú)包層光纖光熱折變玻璃纖維內(nèi)部折射率均勻分布，事實(shí)上是以空氣作為包層，這種光纖難以避免光導(dǎo)波在光纖表面的散射造成的損耗。第二種采用套管法制作的光熱折變玻璃光纖具有包層，但由于這種套管法所制作的光纖是階躍折射率光纖，在光纖芯部和包層之間的界面處光場(chǎng)較強(qiáng)，因此在此界面處的微孔洞和微裂紋等造成的散射損耗也大，使光纖的傳輸損耗難以有效降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種光熱折變玻璃梯度折射率光纖的制作方法。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明所述的光熱折變玻璃梯度折射率光纖，光纖中軸上的折射率高于光纖表層的折射率，且光纖中軸到光纖表層的折射率變化呈現(xiàn)漸變的特征。這種光纖的制作過(guò)程分四步進(jìn)行(如附圖1所示)：第一步是光熱折變玻璃基材制作，獲得光學(xué)級(jí)均質(zhì)光熱折變玻璃材料塊體；第二步是圓柱狀的光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒制作，用機(jī)械加工的方法得到圓柱狀的光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒；第三步是光纖預(yù)制棒的離子交換，形成光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒；第四步是光熱折變玻璃梯度折射率光纖拉制，將光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒拉制成光熱折變玻璃梯度折射率光纖。這種光纖制作方法的特征在于：通過(guò)離子交換將光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒變?yōu)楣鉄嵴圩儾Ａ荻日凵渎使饫w預(yù)制棒之后再進(jìn)行光纖拉制。

4、所述的光熱折變玻璃基材為摻有ag+、ce4+和f-的硅酸鹽玻璃。

5、所述的離子交換所用的熔鹽中含有na+；熔鹽中可選擇性添加k+，li+，或者ag+。

6、所述的光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒的形狀如圖2所示，其半徑為r，長(zhǎng)度為l。

7、所述的光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒中ag+濃度沿半徑方向均勻分布，如圖3所示，光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒中各部位ag+濃度均為n0。

8、所述的光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒的中折射率沿半徑方向均勻分布，如圖4所示，光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒中各部位折射率均為n0。

9、所述的光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒中ag+濃度在光纖預(yù)制棒的半徑方向呈現(xiàn)梯度分布特性，光纖預(yù)制棒的中軸上ag+濃度最高，沿圓柱體半徑向光纖預(yù)制棒的表面ag+濃度逐漸降低。如圖5所示，在光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒的中軸上，ag+濃度為n0；在光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒的表面，ag+濃度為n1。

10、所述的光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒中折射率在光纖預(yù)制棒的半徑方向呈現(xiàn)梯度分布特性，光纖預(yù)制棒的中軸上折射率最高，沿圓柱體半徑向光纖預(yù)制棒的表面折射率逐漸降低。如圖6所示，在光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒的中軸上，折射率為n0；在光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒的表面，折射率為n1。

11、所述的光熱折變玻璃梯度折射率光纖的形狀如圖7所示，其半徑為r，長(zhǎng)度為l。

12、所述的光熱折變玻璃梯度折射率光纖中ag+濃度在光纖的半徑方向呈現(xiàn)梯度分布特性，光纖的中軸上ag+濃度最高，沿圓柱體半徑向光纖的表面ag+濃度逐漸降低。如圖8所示，在光熱折變玻璃梯度折射率光纖的中軸上，ag+濃度為n0；在光熱折變玻璃梯度折射率光纖的表面，ag+濃度為n1。

13、所述的光熱折變玻璃梯度折射率光纖中折射率在光纖的半徑方向呈現(xiàn)梯度分布特性，光纖的中軸上折射率最高，沿圓柱體半徑向光纖的表面折射率逐漸降低。如圖9所示，在光熱折變玻璃梯度折射率光纖的中軸上，折射率為n0；在光熱折變玻璃梯度折射率光纖的表面，折射率為n1。

14、本發(fā)明具有的有益效果是：

15、本發(fā)明光熱折變玻璃光纖的制作方法，采用離子交換法在圓柱狀的光熱折變玻璃材料光纖預(yù)制棒的半徑方向形成了ag+濃度梯度，同時(shí)產(chǎn)生了沿光熱折變玻璃材料光纖預(yù)制棒的半徑方向的折射率梯度。光纖拉制完成后，相應(yīng)地形成光纖半徑方向上的ag+濃度梯度和折射率梯度。光纖內(nèi)層ag+濃度高，折射率高，作為芯部；光纖外層ag+濃度低，折射率低，作為包層。這種光纖制作方法所制作的光纖的優(yōu)點(diǎn)在于：所制作光纖具有玻璃材料制作的芯層和包層，且芯層和包層來(lái)源于同一塊玻璃材料，因此芯層和包層的界面之間不存在缺陷，減少了光導(dǎo)波的散射，降低了光纖的傳輸損耗。

技術(shù)特征：

1.一種光熱折變玻璃梯度折射率光纖的制作方法，制作過(guò)程分四步進(jìn)行：第一步是光熱折變玻璃基材制作，獲得光學(xué)級(jí)均質(zhì)光熱折變玻璃材料塊體；第二步是圓柱狀的光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒制作，用機(jī)械加工的方法得到圓柱狀的光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒；第三步是光纖預(yù)制棒的離子交換，形成光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒；第四步是光熱折變玻璃梯度折射率光纖拉制，將光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒拉制成光熱折變玻璃梯度折射率光纖。這種光纖制作方法的特征在于：通過(guò)離子交換將光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒加工成光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒之后再進(jìn)行光纖拉制。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光熱折變玻璃梯度折射率光纖的制作方法，其特征在于：所述的光熱折變玻璃基材為摻有ag+、ce4+和f-的硅酸鹽玻璃。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光熱折變玻璃梯度折射率光纖的制作方法，其特征在于：所述的離子交換所用的熔鹽中含有na+；熔鹽中可選擇性添加k+，li+，或者ag+。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光熱折變玻璃梯度折射率光纖的制作方法，其特征在于：所述的光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒中ag+濃度沿半徑方向均勻分布。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光熱折變玻璃梯度折射率光纖的制作方法，其特征在于：所述的光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒中折射率沿半徑方向均勻分布。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光熱折變玻璃梯度折射率光纖的制作方法，其特征在于：所述的光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒中ag+濃度在光纖預(yù)制棒的半徑方向呈現(xiàn)梯度分布特性，光纖預(yù)制棒的中軸上ag+濃度最高，沿圓柱體半徑向光纖預(yù)制棒的表面ag+濃度逐漸降低。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光熱折變玻璃梯度折射率光纖的制作方法，其特征在于：所述的光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒中折射率在光纖預(yù)制棒的半徑方向呈現(xiàn)梯度分布特性，光纖預(yù)制棒的中軸上折射率最高，沿圓柱體半徑向光纖預(yù)制棒的表面折射率逐漸降低。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光熱折變玻璃梯度折射率光纖的制作方法，其特征在于：所述的光熱折變玻璃梯度折射率光纖中ag+濃度在光纖的半徑方向呈現(xiàn)梯度分布特性，光纖的中軸上ag+濃度最高，沿圓柱體半徑向光纖的表面ag+濃度逐漸降低。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光熱折變玻璃梯度折射率光纖的制作方法，其特征在于：所述的光熱折變玻璃梯度折射率光纖中折射率在光纖的半徑方向呈現(xiàn)梯度分布特性，光纖的中軸上折射率最高，沿圓柱體半徑向光纖的表面折射率逐漸降低。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種光熱折變玻璃梯度折射率光纖的制作方法，制作過(guò)程分四步進(jìn)行：第一步是光熱折變玻璃基材制作，獲得光學(xué)級(jí)均質(zhì)光熱折變玻璃材料塊體；第二步是光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒制作，用機(jī)械加工的方法得到圓柱狀的光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒；第三步是光纖預(yù)制棒的離子交換，形成光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒；第四步是光熱折變玻璃梯度折射率光纖拉制，將光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒拉制成光熱折變玻璃梯度折射率光纖。這種光纖制作方法的特征在于：通過(guò)離子交換將光熱折變玻璃均質(zhì)光纖預(yù)制棒加工成光熱折變玻璃梯度折射率光纖預(yù)制棒之后再進(jìn)行光纖拉制。這種光纖制作方法所制作的光纖的優(yōu)點(diǎn)在于：所制作光纖具有玻璃材料制作的芯層和包層，且芯層和包層來(lái)源于同一塊玻璃材料，因此芯層和包層的界面之間不存在缺陷，減少了光導(dǎo)波的散射，降低了光纖的傳輸損耗。

技術(shù)研發(fā)人員：郝寅雷,車(chē)錄鋒,周柯江,穆衛(wèi)鋒
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)深圳研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9