硫系玻璃红外光纤的特性和应用研究

出远距离或处于不利位置物体的温度分布。
3. 3 用于制作传感器 1) 硫系玻璃红外光纤用于制作温度传
感器
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光纤与电缆及其应用技术
2000 年第 5 期
表 5 硫化物玻璃红外光纤传输 CO 激光实验数据
研究机构
光纤结构
抗反射 涂层
芯径 d Λm
光纤长度 输入功率 传输功率 传输效率 输出强度
2) 硫系玻璃红外光纤用于传输连续波 CO 激光
硫化物玻璃光纤 传 输 大 功 率、高 强 度
CO 激光可用于激光医疗、远距离切割和焊 接等。 表 5[5, 6] 列举了一些硫化物光纤传输 CO 激光的实验数据。 3. 2 用于热成像
红外成像导引 ( IIG) 器件不仅可用于工 业, 同时它还可用于生物领域。M. Sa ito 等 人[7] 制作了由 200～ 1000 根 A s2S 玻璃红外 光纤形成的光纤束在 2～ 6Λm 光谱范围传输 的红外成像导引器件。 该器件可以清晰地绘
研究中发现, 在 2Λm 和 4. 5Λm 波长处, - 90°C 和 60°C 之间硫化物光纤损耗与室温 时的损耗相比变化很小, 这是由于硫化物光 纤具有大的光学带隙 (22°C 时为 2. 25eV ) ,
且自由载流子吸收和多声子吸收可以忽略不
计; 在 6. 5Λm 波长处, 硫化物光纤损耗比室 温时的损耗大, 这是由于多声子吸收引起的。 考虑到硫化物光纤在 4. 5Λm 波长处温度对 损耗的影响较小, 因而认为硫化物光纤适用 于传输 5. 4Λm 处 CO 激光。在电子边区 (Κ= 4. 1Λm ) , - 40°C ≤T ≤60°C 范围内, 观察到 了碲化物光纤的损耗与室温时的损耗相比, 存在较大的损耗变化 (与 Κ= 8. 0Λm , 10. 6Λm 相比) , 这是由于碲化物光纤具有较小的光学 带隙 (22°C 时为1. 17eV ) , 因而容易产生电子 和自由载流子吸收, 在该波长处 Κ= 4. 1Λm , ≤- 40°C 时损耗明显减小, 这可能是由于随 着温度降低光学带隙变宽或是由于自由载流
CTH ∶YA G 2
50
1
1. 3+
26+
KT P O PO 3. 3
5
10
4+
> 500+
Ho∶YL F
2
15 1×104 0. 753 503
ZnGeP O PO 3～ 4 15 1×104 0. 133
93
注: + 为几百个脉冲后观察到了破坏; 3 为未观察到破 坏, 该数值为最大激光输出限制功率密度。
光纤与电缆及其应用技术 O p tica l F iber & E lectric Cab le
2000 年第 5 期 N o. 5 2000
[ 综 述 ]
硫系玻璃红外光纤的特性和应用研究
苏宇欢, 毕叔和, 任学民
(信息产业部电子第四十六研究所, 天津 300192)
[ 摘 要 ] 本文综述了硫系玻璃红外光纤的材料特性和应用研究, 并展望了该材料的发展前 景。 [ 关键词 ] 硫系玻璃光纤; 红外光纤; 特性; 应用 [ 中图分类号 ] TN 818 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 100621908 (2000) 0520003206
一项表示由于密度和组份波动引起的本征瑞
利散射损耗, 其余各项表示由于缺陷和杂质
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光纤与电缆及其应用技术
2000 年第 5 期
引起的非本征散射损耗。 2. 2 温度对硫系玻璃红外光纤传输损耗的 影响
1) 温度对吸收损耗的影响 I. Inagaw a 等人[2] 研究了温度对硫系玻 璃红外光纤吸收损耗的影响后发现, 在 2. 5 ～ 6. 7Λm 波长范围内, 温度对 A s40S60光纤收 损耗的影响很小; 在 2～ 11Λm 波长范围内, 温度对 Ge20A s30Se50 光纤吸收损耗的影响很 小; 而在 2～ 12Λm 波长范围内, Ge25A s20Se25 T e30 和 Ge32. 5 Se22. 5 T e45 光纤的吸收损耗随温 度升高而明显增加, 这种现象在所有含 T e 玻璃光纤中都可观察到, 随 T e 含量增加, 温 度对光纤传输损耗的影响增大, 在较高温度 下, 含 T e 硫系玻璃光纤吸收损耗的增加主 要是由热激发自由载流子引起的吸收造成 的。 含 T e 硫系玻璃光纤只能传输低功率 CO 2 激光的主要原因就是在 CO 2 激光波长 处, 温度对吸收损耗有强烈的影响, 因而含 T e 硫系玻璃光纤基本不适合红外激光功率 传输。V. Q. N guyen 等人[3]研究了温度对硫 化物和碲化物玻璃红外光纤吸收损耗的影 响, 实验结果见表 1。
The properties and appl ica tion research of cha lcogen ide gla ss infrared optica l f ibers SU Yu2huan, B I Shu2he, R EN Xue2m in
(T he E lectron ics 46th R esea rch In stitu te, T he M in istry of Info rm a tion Indu stry, T ian jin 300192, Ch ina)
光
掺 Se 的 A s40S60玻璃红外光纤可远距离 传输 2. 94Λm 波长的高能 E r ∶YA G 激光, 用于激光外科[1 ]。L. E. B u sse 等人[4 ] 研究了 硫化物光纤用于高能量密度源掺铬铥钬钇铝
石榴石 (CTH ∶YA G) 激光器、磷酸氧钛钾光
学 参量振荡器 (KT P O PO )、掺钬氟化钇锂
Key words: cha lcogen ide g la ss op tica l fiber; infra red op tica l fiber; p rop erty; app lica tion
1 引 言
硫系玻璃红外光纤是以硫系元素 (硫、 硒、碲) 和磷、硅、重金属元素等为主要玻璃成 分制成的一种传光光纤。 以硫化物为主的玻 璃, 红外透过截止波长在 10Λm 左右, 制成光 纤后实际可应用的波段在 5～ 6Λm 以下。 而 以硒、碲化合物为主的玻璃, 其透过截止波长 可延伸至 16～ 20Λm , 可作为透 8～ 12Λm 波 段以下光纤的基本原料。 由于硫系玻璃红外 光纤具有较低的本征损耗, 其化学稳定性、力 学性能、可挠性等较好, 因而它在激光传输、 热成像、远距离传感、耦合器制作、放大器和 激光器、光学计算机用光学部件的制作以及 军事领域有着广泛的应用。
I. Inagaw a 等人[2] 研究了某些硫系玻璃 的热学特性和折射率与温度的关系, 实验结 果见表 3。
表 3 某些硫系玻璃的热学特性和折射率与温度的 关系
种类 A s40S60
玻璃 转变 温度
Tg °C 204
放热 峰温 度
Tx °C -
玻璃 热膨
软化 胀系 折射 dn dT
温度 数 × 率 ×10- 5
由表 3 中 dn dT 数据可知, 温度对硫化 物红外光纤折射率的影响很小, 因而硫化物 光纤在传输大功率激光时热聚焦产生的可能 性很小; 而温度对硒化物和碲化物光纤折射 率的影响较大, 易于产生热聚焦现象, 大功率 激光传输时容易破坏光纤纤芯。
3 硫系玻璃红外光纤的应用
3. 1 用于激光传输 1) 硫系玻璃红外光纤用wk.baidu.com传输脉冲激
(Ho ∶YL F ) 光源和 ZnGeP 光学参量振荡器
(ZnGeP O PO ) 的脉冲激光传输, 实验结果见
表 4。
表 4 硫化物光纤传输脉冲激光实验数据
激光器
波长 Κ Λm
脉冲 宽度 ∃w
ns
重复频 率f Hz
最大输 入能量 密度
最大功 率密度
D1
J·
D 2 MW ·cm - 2
cm - 2
Abstract: T he p rop erties and app lica tion resea rch of cha lcogen ide g la ss infra red op tica l fibers a re review ed in th is p ap er, and the p ro sp ects of th is m a teria l a re p resaged.
吸收引起的。 因此碲化物光纤用于化学传感
的合适温度为低于 30°C。 2) 温度对瑞利散射损耗的影响 V. Q. N guyen 等人[3]研究了温度对硫化
物和碲化物玻璃红外光纤瑞利散射损耗的影
响, 实验结果见表 2。 T = 70°C 时, 由表2中数据计算出5m 长
苏宇欢等: 硫系玻璃红外光纤的特性和应用研究
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表 2 温度与瑞利散损耗的关系
光纤类型
d (ΑRS) dT
dB ·m - 1·K- 1
硫化物
1. 8×10- 11 Κ4
碲化物
7. 6×10- 10 Κ4
硫化物红外光纤在 1～ 5Λm 波长范围内的瑞 利散射损耗变化 d (ΑRS) 小于 3. 0×10- 8dB; T = 60°C 时, 计算出 5m 长碲化物红外光纤在 5～ 9Λm 波长范围内的 d (ΑRS) 小于 2×10- 9 dB。因此温度对硫化物和碲化物红外光纤中 瑞利散射损耗的影响很小, 可以忽略不计。 2. 3 硫系玻璃红外光纤的热学特性和折射 率与温度的关系
表 1 温度与硫化物和碲化物玻璃光纤损耗变化的 关系
光纤类型 硫化物
波长 Κ Λm 2. 0 4. 5 6. 5
d (∃Α) dT
dB ·m - 1·°C - 1 1. 9×10- 4
1. 4×10- 4
4. 3×10- 3
碲化物
4. 1 8. 0 10. 6
4. 4×10- 2 2. 0×10- 3 1. 9×10- 2
子吸收很小造成的。 在最小的损耗区 (Κ= 8. 0Λm ) , 碲化物光纤的损耗比室温时的损耗增 加较少。在多声子边区 (Κ= 10. 6Λm ) , 随着温 度 从- 60°C 增加到 40°C, 热振动和 IR ( 红 外) 有源声子和光子之间非间谐相互作用增 加了与 IR 吸收的耦合, 导致了损耗的迅速 增加。当 T ≥60°C, 损耗为较小的自由载流子 吸 收和较大的多声子吸收的叠加。 在 10. 6Λm 处, 温度对碲化物光纤损耗影响较大, 从而限制了碲化物光纤传输 CO 2 激光的光 纤长度, 而在 6～ 9Λm 波长范围用于化学传 感 可实现最小损耗变化。 还发现 T ≥30°C 时, 碲化物光纤最低损耗区 (Κ= 8. 0Λm ) 的损 耗比硫化物光纤最低损耗区 (Κ= 4. 5Λm ) 的 损耗有较大增加, 这是由于碲化物光纤中与 较高自由载流子浓度相关的较高自由载流子
[ 收稿日期 ] 2000202225 [ 作者简介 ] 苏宇欢 (1962- ) , 女, 信息产业部电子第四
十六所高级工程师 [作 者 地 址 ] 苏 宇 欢, 天 津 市 南 开 区 科 研 西 路 20 号,
300192
2 硫系玻璃红外光纤的材料特 性
2. 1 硫系玻璃红外光纤的传输损耗
子、过渡金属离子、氧化物、H 2S 和 H 2Se 等
杂质引起的非本征吸收, 第四项代表由玻璃
中 无 序、缺 陷 和 杂 质 引 起 的 弱 吸 收 尾
(W A T ) , 目前尚不清楚W A T 究竟属于本征 还是非本征。 非本征吸收损耗可由氧化物吸
收物 (如尿素和铝)、实验中采用非常纯的试
剂和在惰性气氛中拉丝得以消除。式 (2) 中第
硫系玻璃红外光纤的传输损耗是吸收损
耗和散射损耗的总和[ 1 ]。
吸收损耗= A 0exp (A Κ) + B 0exp (- B Κ) +
∑ciC i+ D 0exp (D Κ)
(1)
散射损耗= E Κ4+ F Κ4+ G Κ2+ H
(2)
式 (1) 中前两项分别表示本征电子和多
声子吸收, 第三项代表由诸如 O H、稀土离
Ts
10- 7
n
°C - 1
°C °C- 1
221 235 2. 41 ≤1
Ge20A s30Se50 290 Ge25A s20Se25T e30 248 -
334 164 2. 58 3 272 146 2. 95 9
Ge32. 5A s22. 5T e45 244 360 249 162 2. 90 8