離子交換制備光波導光學玻璃.pdf

1、近幾年來，離子交換的研究逐漸成為一個熱門話題。顧名思義離子交換就是離子間相互進行置換。還在上世紀、人們就發(fā)現(xiàn)化肥硫酸銨被土壤吸收后、隔一段時間、就不能用水將硫酸銨從土壤中沖洗出來、而土壤中的硫酸鈣成分愈來愈多、經(jīng)過研究、人們發(fā)現(xiàn)這是一種離子交換反應(yīng)的結(jié)果，即土壤中的鈣離子與硫酸銨中的銨離子進行了離子交換。 本世紀四十年代以后，離子交換在許多技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是近幾年在玻璃襯底上用離子交換法制備介質(zhì)光波導是一個熱門研究

2、課題。磷酸鹽玻璃是制作高增益光波導放大器的理想材料。磷酸鹽基質(zhì)中的激活離子具有熒光壽命較長，受激發(fā)射截面大，用離子交換法制作的波導具有凈增益高，損耗低，制作成本低等特點。還可制作集成的光放大器件。它廣泛用于全光網(wǎng)(器件)，超快光開關(guān)，直接或分布式偶合器，Mach-Zehnder干涉，同時磷酸鹽玻璃具有較大的三次非線性系數(shù)，快速非線性響應(yīng)(＜1ps)，低的傳輸損耗(10-2cm-1)等優(yōu)點。因此用磷酸鹽玻璃做玻璃襯底制備的光波導玻璃也是人

3、們一直研究的課題。 含大量氧化鈮的硼磷酸鹽玻璃的二次非線性系數(shù)n2大于硅酸鹽玻璃，由于其化學穩(wěn)定性不是很好，在使用過程中受到限制，因而研究磷酸鹽玻璃的組成及性質(zhì)對該材料的應(yīng)用具有十分重用的意義。我們研究這類磷酸鹽玻璃的目的就是探索用這類磷酸鹽玻璃作襯底制備光波導的玻璃，與化學穩(wěn)定性好的硅酸鹽相比，是否更適用于光波導。 本文運用理論與實驗相結(jié)合的方法對磷酸鹽基質(zhì)玻璃對水的化學穩(wěn)定性進行了測試。用此方法研究了P2O5-BaO

4、系統(tǒng)、P2O5-Al2O3-BaO和P2O5-Al2O3-M2O-BaO系統(tǒng)的組成、化學穩(wěn)定性以及金屬替代物BaO對化學穩(wěn)定性的影響。對玻璃結(jié)構(gòu)中陽離子的極化能力的實驗結(jié)果進行了分析。在對玻璃侵蝕機理討論的基礎(chǔ)上分析了磷酸鹽玻璃加速侵蝕的現(xiàn)象。討論了玻璃光波導的制備、原理以及WAK測試方法。通過以上結(jié)果表明： 1.玻璃的化學穩(wěn)定性與玻璃的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有關(guān)，玻璃的空間結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，其化學穩(wěn)定性就越好。但玻璃結(jié)構(gòu)又與玻璃組成成分密切相關(guān)

5、，改變玻璃的組成成分會使玻璃結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，從而對化學穩(wěn)定性產(chǎn)生決定性的影響。 2.玻璃態(tài)中的[PO4]四面體的四個P-O鍵中有一個雙鍵，它使四面體的一個頂角斷裂并變形，因此可將玻璃態(tài)的P2O5看成是[PO4]四面體層狀結(jié)構(gòu)[]，它比具有[SiO2]四面體空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的玻璃態(tài)SiO2化學穩(wěn)定性差。向玻璃態(tài)P2O5添加一些一價、二價或三價金屬氧化物，可引起三種不同情況的反應(yīng)： ●引入一價金屬氧化物時，基本上是使層狀結(jié)構(gòu)發(fā)

6、生斷裂，導致結(jié)構(gòu)更加松散，化學穩(wěn)定性降低，如Li2O、Na2O、K2O就起到了這樣的作用。 ●有些金屬氧化物的引入能使層狀結(jié)構(gòu)向空間骨架結(jié)構(gòu)發(fā)展，玻璃結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，化學穩(wěn)定性得到極大改善，如Al2O3、MgO、BaO都能發(fā)生這類反應(yīng)。 ●還有一些金屬氧化物，特別是一些二價金屬氧化物，引入到玻璃中很復雜。一方面使玻璃的層狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，另一方面陽離子處于結(jié)構(gòu)空間中由于靜電引力作用又使玻璃結(jié)構(gòu)更加緊密，這兩種相反作用的結(jié)果，