光纤作为光学研究和光子器件的平台,已在光通信、光纤激光器、非线性光学、生物医疗、传感、激光雷达等领域取得了巨大的成功。随着光纤应用领域的扩展,对能提供更多或更强功能的特种光纤的需求不断增大,如中远红外激光的产生和传输光纤、可感知多种物理参量的传感光纤、用于全光信号处理的高非线性光纤、用于高功率激光系统的低非线性光纤、可实现太阳能转换或热电转换的功能光纤以及可编织穿戴的光电光纤等。然而,传统石英光纤功能单一,不能应用于中远红外波段((29)2.5μm)等,不能满足需求。解决问题的途径是将具有不同物化特性、不同功能的新颖材料以及多种功能微结构,复合到光纤结构中,实现光学、电学、热学、磁学、声学以及介电等性能在光纤中的集成,从而满足应用要求。这已成为国际共识,并成为新一代光纤的发展方向。但是,研制复合光纤需要克服不同材料间物性参数匹配性问题、不同组分在高温下化学稳定性以及光纤结构不易控制等难题。本论文主要从玻璃光纤的组分出发,探索复合玻璃光纤的制备技术和性能调控,为新领域的应用提供高性能和多功能的特种光纤。具体的研究内容和取得的主要成果有:(1)探索了复合玻璃光纤制备的一般规律和技术。包括纤芯和包层材料的匹配规律:粘度-熔点匹配性、高温润湿性、折射率、热膨胀系数、元素扩散等;复合玻璃光纤的制备技术有纤芯熔融法和反应纤芯熔融法以及拉丝后的热处理技术。(2)研制了两种一元半导体复合玻璃光纤:Se半导体复合玻璃光纤和Te半导体复合玻璃光纤。采用纤芯熔融法直接制备的光纤中,Se光纤纤芯是非晶态的,而Te光纤纤芯是晶态的。通过拉丝后的热处理可以实现Se纤芯晶态与非晶态的可逆转变,并测得晶态的Se半导体复合玻璃光纤在光照下的电流约为黑暗下的3倍,有望在光开关和光电探测等领域获得应用。Te半导体纤芯具有大的拉曼增益和宽的红外透过范围,在拉曼频移红外光源和红外光传输等领域具有一定的应用前景。(3)研制了两种化合物半导体复合玻璃光纤:Se0.8Te0.2半导体纤芯光敏光纤和Sb2Se3半导体纤芯热敏光纤。晶态的Se0.8Te0.2半导体复合玻璃光纤在光照下的电流约为黑暗下的100倍,表明可通过调节纤芯前躯体Se和Te的配比,来实现SexTe1-x半导体复合玻璃光纤的光电流可调。Sb2Se3半导体复合玻璃光纤在195°C时的电导率相对于室温变化了4个数量级。此外,它具有一定的光电流和较大的塞贝克系数(1180μV k-1),表明在此复合玻璃光纤上可实现光开关、光电探测、温度传感和热电转换等多功能。(4)研制了金属复合玻璃光纤和新型介电材料复合玻璃光纤。金属Bi具有高的磁阻效应,Bi金属复合玻璃光纤可应用于全光纤磁传感。高掺杂稀土玻璃可制备高增益的有源光纤,但是浓度猝灭效应和传统管棒法拉丝过程中产生的析晶问题会限制稀土掺杂的浓度。在不发生浓度猝灭的情况下,采用纤芯熔融法可克服因高掺杂稀土而导致的析晶问题。制备了无析晶的高掺杂Er3+/Yb3+磷酸盐玻璃纤芯复合玻璃光纤,其纤芯和包层结合紧密,芯包结构保持完整,测得其在1310 nm处的传输损耗为7.5 dB/m。在此复合玻璃光纤中探测到了强的近红外1.5μm发光,有望应用于高效率、高功率和超紧凑的1.5μm波段光纤激光器。(5)研制了高增益掺铥锗酸盐玻璃单模光纤。首先探索了Er3+/Ho3+共掺和Er3+/Yb3+/Ho3+三掺锗酸盐玻璃的光谱性能。在980 nm LD激发下,Er3+/Ho3+共掺玻璃2.0μm的荧光寿命为5.67 ms,Er3+:4I13/2向Ho3+:5I7能量传递效率为70%。由于Er3+在1550 nm比980 nm处具有更大的吸收截面,因此采用1550 nm激光器泵浦时,可获得更高效率的2.0μm发光。在Er3+/Yb3+/Ho3+三掺锗酸盐玻璃获得了2.85μm和2.0μm中红外荧光输出,其2.0μm的荧光寿命长达7.58 ms。这些结果表明锗酸盐玻璃是合适的2~3μm波段激光基质材料。通过优化组分、除水和拉丝工艺,制备了高掺Tm3+锗酸盐玻璃单模光纤,测得其增益为3.6 dB/cm,是目前报道的掺Tm3+锗酸盐光纤中最大的单位增益。采用1568 nm激光器泵浦,在1.3 cm长的此增益光纤上实现了1.95μm的单频激光输出,激光输出功率为101.6 mW,斜率效率为6.3%。