Er/Ce共掺铋硼酸盐玻璃的光谱性质研究(3)

菜单

美国Corning公司为了降低玻璃的损耗，极具创造性地使用了气相淀积法（物理气相淀积法PCVD、化学气相淀积法CVD由此开始发展），将SiCl4放入氢氧焰中煅烧，石英玻璃由此形成。这样的做法避免了杂质的介入，使得低损耗的熔石英光纤得以在世界各地被应用。之后世界各地学者纷纷对这种光学玻璃进行研究并拿出了相应的成果。随着工艺的进步和改革，现今的多模光纤降至了0.4dB/km，而单模光纤更是达不到0.2dB/km。同时伴随着光纤损耗的降低，光衰减的问题得以良好的解决，而光路中继技术也需要光学玻璃的加入来加以变革。最近研究者们关注的掺铒光纤放大器正是该光纤玻璃中的一类。

2.2 铋硼酸盐玻璃

光学玻璃所表征出的光学性能一般由它的玻璃基质以及所掺杂的杂质离子所决定。近几年比较热门的玻璃基质有：硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃以及铋酸盐玻璃等。这些不同基质的玻璃队不同波段所发射的光有不同的选择性，能够充分地表现不同掺杂离子的光学功能。

而以重金属铋、铅为基质的光学玻璃尤为受到个科研工作者的关注。这是因为重金属氧化物玻璃具有一系列光学特性，如高折射率（>2.0）、能在红外区域较长波长的光学非线性传输。由于这些特性，使用上述的重金属玻璃能够发展有效的激光器以及光纤放大器。但是由于元素铅具有毒性，对人体和环境容易造成伤害和污染，在研究过程中应尽量避免使用，所以科研工作者们将性质较为相近的铋用来替代铅，而铋在实验中也表现出了不亚于铅元素的稳定性，这使得对铋酸盐玻璃的研究形成了主流。铋在元素周期表上处于第六周期第V主族，为铅的相邻元素，拥有着相对较弱的电负性以及金属性。在晶体结构方面，氧化铋是具有高价低场强和高极化阳离子的氧化物。因此，它通常组成的玻璃无法与纯B2O3玻璃相比。在硼酸盐玻璃网络中，Bi2O3和ZnO一样可以占据网络的形成和修改网络位置。因此，当阳离子的结构作用变化，这种玻璃的物理性质表现出不连续的变化。所以氧化铋由于其自身原子的性质导致其无法作为玻璃形成体单独形成玻璃。但是如果在铋基质的玻璃中适当引入诸如B2O3、SiO2等玻璃形成体，能使得铋玻璃的玻璃形成能力以及稳定性大大的增强。有研究表明，SiO2的加入能够使得氧化铋的性能得到提升。这是由于Si-O-Si键角数目的增加，增强了氧化铋中的Bi-O键的共价性，也提升了其中的[BiO6]八面体的对称性的缘故。

在现代化玻璃工业生产中，B2O3应用得十分之广泛。硼氧基团拥有着极为丰富的相互结合的方式，这使得硼酸盐体系拥有了极为丰富多变的结构体系，而这种多样化的结构也造成了硼氧化合物的多样化的特性。而在硼氧基团在玻璃中也有此表现。在玻璃中超过半数的光学玻璃中具有B2O3的成分，这是因为硼玻璃它们的熔点低、透明度高、高稳定性。在各种仪器玻璃、器皿玻璃中，B2O3也是不可缺少的主要成分之一。由于加入B2O3的光学玻璃中能使光学玻璃的这一系列性能得到进一步的改善，因此其在很多光学玻璃中已成为不可替代的组成。成分中富含B2O3的高粘度熔体更倾向于形成玻璃。而在晶体形式中，各种成分的硼酸盐的特殊重要性更是体现在该玻璃的有趣的线性和非线性光学性质。据研究表明，B2O3的加入能使原本铋酸盐玻璃的结构更加稳定，增强其玻璃的形成能力。但同时B2O3的加入也会带来些许影响，过多B2O3加入会提升玻璃体系中的声子能量，降低其基质玻璃本身的红外透过性能。于是，为了玻璃体系中B2O3的加入既能够提高原本铋酸盐玻璃的成玻能力，又能够有效地维持其本身的红外透过性能。加入B2O3的浓度多少成为了关键。