银纳米晶复合铋酸盐玻璃析晶调控及光纤拉制工艺探索

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贵金属纳米晶复合铋酸盐玻璃已被证明是一种极具潜力的新型非线性复合玻璃材料,具有极高的线性折射率和非线性极化率、超快的三阶非线性响应速度、大范围可调谐的谐振范围、较宽的红外透过窗口、优良的物理化学稳定性及简单可控的制备过程,是制造非线性光纤器件的重要材料。然而,受限于光纤拉丝过程的不可控析晶问题,目前还未实现贵金属纳米晶复合光纤的可控制造。本课题对银纳米晶(Ag NPs)复合铋酸盐玻璃的析晶性能与玻璃组分和熔制工艺的关系规律开展了较为深入的研究,优化了其析晶行为和光纤性能。在此基础上,基于“管内熔体”法进一步探索了Ag纳米晶复合铋酸盐玻璃光纤的制造工艺。本文的主要研究内容和取得的成果包括:(1)采用熔融退火法制备了Ag和磷(P)共掺杂铋酸盐玻璃,研究了Ag含量和磷/铋比例变化对玻璃析晶性能和光学性能的影响,实现了玻璃中高浓度的银纳米晶掺杂。系统研究了Ag纳米晶在磷铋酸盐玻璃中的生成机理,并研究了Ag元素含量及热处理制度对Ag纳米颗粒形态的影响。通过Z扫描技术测量了高浓度Ag纳米晶掺杂磷铋酸盐玻璃的三阶非线性系数,并实现了800 nm下高效率的饱和吸收和反饱和吸收。(2)系统研究了Ag纳米颗粒复合铋酸盐玻璃在重熔前后纳米颗粒的含量、形态变化以及光学性能变化。通过对熔融前后玻璃中Ag的含量、价态及微观形貌进行表征,证明了Ag纳米颗粒在玻璃熔体中发生了热生长、热融合及沉降现象。并通过动力学分析明确了重熔前后玻璃的LSPR共振峰出现明显变化的原因。这为高浓度的Ag纳米晶复合铋酸盐玻璃光纤的制备提供了极为重要的指导和参考。(3)探索并改良了拉制光纤的制备工艺,并制备了Ag纳米晶复合(磷)铋酸盐玻璃光纤。基于拉制Ag纳米晶复合铋酸盐玻璃光纤过程中出现的玻璃析晶、光纤结构严重变形、光纤芯层不连续及Ag纳米晶沉降等问题,我们分析了其相应的产生原因,开发了两种新的光纤及预制棒制备技术:真空吸入法(制备光纤预制棒)及改良管内熔体法(制备光纤)。这两种方法可用于解决金属纳米晶复合(磷)铋酸盐玻璃光纤拉制中的特异性问题,并证明了其对玻璃析晶、光纤结构严重变形、元素扩散及纳米晶沉降等问题的明显抑制作用。
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