一种高性能硫系玻璃微球及制备方法技术

一种高性能硫系玻璃微球及制备方法，属于光学微球和红外传感材料。微球的化学组成为GexAsyS100-x-y，其中8≤x≤12，20≤y≤32；微球通过对‘硫系玻璃/聚合物’复合光纤进行热处理获得，该复合光纤通过对‘硫系玻璃/聚合物’预制棒在光纤拉丝塔上拉制获得。本发明专利技术制备的硫系玻璃微球的直径为8~300μm，偏心度≤1%，表面光洁度≤1nm，微腔品质因子Q≥1x105，激光损伤阈值≥400GW/cm2(5.3μm,150fs，1kHz)。可应用于分子传感和红外光学领域。优点：1.玻璃的光致折射率变化极小，光学稳定性好；2.微球的抗激光损伤阈值较高，作为光学微腔可传输较大的激光功率；3.制备工艺简单，成本很低，一次可制备大量尺寸均匀的高质量微球。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学微球及制备方法，特别是。
技术介绍
光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔，它利用在折射率不连续的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效应，将光限制在一个很小的区域。在光学微腔(微环、微盘、微球、光子晶体)中，球形腔具有最佳限制光在腔内循环的能力，可以具有极高的品质因数(Q)和极小的模式体积，在高灵敏传感器、窄带光学滤波、极低阈值激光器、非线性光学、腔体量子电动力学等许多研究与应用领域具有广泛的应用前景。目前光学微腔技术主要局限在可见光和近红外区域，鲜有工作在中红外区域的谐振微腔的报道。尽管氧化物材料已被广泛应用于制备高Q谐振腔，但它们的透光范围一般局限于2pm以下，无法用于探测分子振动模、中红外光学激光器和滤波器等领域。另一方面，硫系玻璃(玻璃组成的典型特征是含有S、Se、Te中的至少一种元素且不含氧元素)在中红外波段具有优异的透光性。根据玻璃的组成，其透射范围可涵盖可见光到长波红外22 u m0得益于此，硫系玻璃光学元件在化学和生物传感、中红外光谱应用等方面得到了较广泛关注。所报道的硫系玻璃微腔中，最高Q值是2xl06 (1.55 iim)，在As2S3微球上获得，其次是2xl05 ( 1.55 iim)，在As2S3微盘上获得。已报道的硫系玻璃微球的制备方法主要有两种，一种是使玻璃粉末以自由落体形式竖直通过惰性气氛保护的高温管式炉时受热自然形成微球，然而采用此方法获得的微球受重力影响较大，工艺很难控制，微球的Q值较小(报道值小于IO5);另一种方法是在惰性气氛下采用聚焦激光或环形加热器对光纤的细小头部进行加热获得微球。由此获得的微球与光纤的顶端相连接，便于移动操作和定位，上述报道的具有最高Q值的硫系玻璃微球(Q=2 X IO6)就是采用这种方法制备的，但用这种方法每次只能制备一个微球，且很难得到较完美的球形。理论分析显示，硫系玻璃微球在I Pm、1.55iim和3iim波长的极限Q值分别可达到109、7xl09和4xl010。由于材料的吸收、表面的散射及形状的不完美，实验中获得的微球Q值比理论值小几个数量级。目前硫系玻璃微球存在的关键问题是:1.大部分硫系玻璃微球具有光敏性，特别是光致折射率变化，导致微球光学性能不稳定；2.能够传输的功率较低，易损伤；3.制备方法效率低，成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供，解决常用硫系玻璃微球光学性能不稳定、传输功率低和制备效率低的问题。本专利技术的目的是这样实现的，本专利技术的高性能硫系玻璃微球的化学组成为GexAsyS1(l(l_x_y，其中 8 ≤ X ≤ 12，20 ≤ y ≤ 32。硫系玻璃微球通过对‘硫系玻璃/聚合物’复合光纤进行热处理获得，该复合光纤通过对‘硫系玻璃/聚合物’预制棒在光纤拉丝塔上拉制获得；具体步骤如下: (1)将与选定微球组成相同的硫系玻璃棒表面抛光，然后用聚合物薄膜将玻璃棒卷紧至≥3倍玻璃棒直径作为包层，放入真空炉中，抽真空至IPa以下，加热升温至24(T250°C，并保温IOlOmin使聚合物包层密实，之后冷却至室温； (2)将带聚合物包层的硫系玻璃棒在光纤拉丝塔上拉成所需直径的光纤；对于lOOlOOym的光纤可一次拉成，对于直径小于IOOym的光纤，可采用多次拉纤法获得单芯光纤，或采用传统堆-拉法获得所需直径的多芯光纤； (3 )将带有聚合物包层的硫系光纤放入石英管式炉中，加热至30(T350°C，保温1(T60分钟，光纤聚合物包层内的玻璃会断开并形成大量尺寸均匀的微球； (4)将热处理后的光纤放入N，N- 二甲基乙酰胺(DMAC)溶剂中，微球表面的聚合物层溶解后即得本专利技术所述的硫系玻璃微球。 所述的聚合物薄膜是聚醚砜树脂PES ;或者所述的聚合物薄膜是聚醚酰亚胺PEI。 有益效果，由于采用了上述方案，利用平均配位数位于2.4^2.5内的光致稳定Ge-As-S玻璃，同时利用粘性连续液体在毛细管中的不稳定性，对‘硫系玻璃/聚合物’复合光纤进行热处理获得了大量尺寸均匀的高质量硫系玻璃微球。微球的直径可通过控制复合光纤芯径来实现；由于高温聚合物皮料的束缚，依靠表面张力自然形成的微球受重力的影响大大减小，有利于球形趋于完美。所述硫系玻璃微球的直径为8~300 u m，偏心度< 1%，表面光洁度≤lnm，微腔品质因子Q≥lxlO5，激光损伤阈值≥400GW/cm2。可应用于化学和生物分子传感和红外光学领域。与现有硫系玻璃微球和制备方法相比，本专利技术所述微球和制备方法具有如下优点:1.玻璃的光致折射率变化极小，光学稳定性好；2.微球的抗激光损伤阈值较高，作为光学微腔可传输较大的激光功率；3.制备工艺简单，成本很低，一次可制备大量尺寸均匀的高质量微球。【附图说明】图1是本专利技术的热处理后光纤中形成的微球光学照片。图2是本专利技术的聚合物溶解后获得的大量微球扫描电镜照片。【具体实施方式】下面将通过实施例进一步说明本专利技术的实质性特点和显著进步，但本专利技术并非仅限于所举之例。实施例1:硫系玻璃微球的组成为Ge8As32S6tl ； 将组成为Ge8As32S6tl、直径为8mm的硫系玻璃棒表面抛光，然后用厚度为125 u m的聚醚砜树脂PES薄膜将玻璃棒卷紧至直径为25mm，放入真空炉中，抽真空至IPa以下，加热升温至240°C，并保温30分钟使PES包层密实，之后冷却至室温；将所得带PES包层的复合光纤预制棒在光纤拉丝塔上拉成直径为3mm的细棒(玻璃芯径约为1mm);截取长度150mm的细棒，用厚度为75iim的PES薄膜再次将细棒卷紧至直径为25mm，放入真空炉中，抽真空至IPa以下，缓慢加热升温至240°C，并保温30分钟使PES包层密实，之后冷却至室温；将所得复合光纤预制棒在光纤拉丝塔上拉成直径为1mm的光纤(玻璃芯径约为40 u m);将30cm所得带有PES包层复合光纤放入石英管式炉中，加热至300°C，保温60分钟，光纤聚合物包层内的玻璃会断开并形成大量尺寸均匀的微球，如图1所示；将热处理后的光纤放入100mlN，N- 二甲基乙酰胺(DMAC)溶剂中，微球表面的PES溶解后得到制备的Ge8As32S6tl微球，如图2所示。玻璃微球的直径和偏心度通过SEM照片计算，微球表面光洁度通过Veeco WykoNT9100光学轮廓仪表征，微腔品质因子Q通过传统锥形光纤耦合测量系统测得，玻璃的激光损伤阈值采用端面损伤法估算。检测结果显示:微球的直径为4(T42 u m,偏心度0.5%，表面光洁度0.5nm,微腔品质因子 Q=3xl06 (1.55iim)，激光损伤阈值为 400GW/cm2 (5.3 u m, 150fs，IkHz)。实施例2:硫系玻璃微球的组成为GeltlAs24S66 ； 将组成为GeltlAs24S66、直径为6mm的硫系玻璃棒表面抛光，然后用厚度为75 y m的聚醚酰亚胺PEI将玻璃棒卷紧至直径为25mm，放入真空炉中，抽真空至IPa以下，加热升温至245°C，并保温20分钟使PEI包层密实，之后冷却至室温；将所得带PEI包层的复合光纤预制棒在光纤拉丝塔上拉成直径为2mm的细棒(玻璃芯径约为500 u m);截取长度150mm的细棒，将7根细棒堆积成直径本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能硫系玻璃微球，其特征是：微球的化学组成为GexAsyS100?x?y，其中8?≤?x?≤12，20≤?y?≤32。

【技术特征摘要】
1.一种高性能硫系玻璃微球，其特征是:微球的化学组成为GexAsySm，其中8≤X≤ 12,20 ≤ y ( 32。2.—种权利要求1所述的硫系玻璃微球的制备方法，其特征是:硫系玻璃微球通过对‘硫系玻璃/聚合物’复合光纤进行热处理获得，该复合光纤通过对‘硫系玻璃/聚合物’预制棒在光纤拉丝塔上拉制获得；具体步骤如下: (1)将与选定微球组成相同的硫系玻璃棒表面抛光，然后用聚合物薄膜将玻璃棒卷紧至≥3倍玻璃棒直径作为包层，放入真空炉中，抽真空至IPa以下，加热升温至24(T250°C，并保温IOlOmin使聚合物包层密实，之后冷却至室温； (2)将带聚合物包层的硫系玻璃棒在光纤拉...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志勇，任和，杨安平，张斌，陶海征，王荣平，张鸣杰，郭威，杨艳，唐定远，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：