摻銩鍺酸鹽玻璃光纖預(yù)制棒的化學(xué)腐蝕拋光對芯包界面缺陷的影響＊

張偉南，王建文，錢 奇，徐善輝，楊中民

（特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南理工大學(xué)光通信材料研究所，廣東 廣州 510640）

摻銩鍺酸鹽玻璃光纖預(yù)制棒的化學(xué)腐蝕拋光對芯包界面缺陷的影響＊

張偉南，王建文，錢 奇，徐善輝，楊中民

（特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南理工大學(xué)光通信材料研究所，廣東 廣州 510640）

通過不同溶液對玻璃表面進(jìn)行清洗腐蝕，并用片狀玻璃在馬弗爐中模擬拉絲情況實(shí)驗(yàn)，研究了摻銩鍺酸鹽玻璃光纖纖芯和包層界面在不同的溶液清洗腐蝕條件下的界面缺陷．研究表明，用p H＝2．5的HCl溶液，能夠有效溶解殘留在玻璃表面的雜質(zhì)，最大限度的降低芯包界面的缺陷，避免了芯包界面微晶．在此研究基礎(chǔ)上，將同組分的鍺酸鹽玻璃制成預(yù)制棒，在拉絲爐上進(jìn)行拉絲實(shí)驗(yàn)，獲得了芯包界面良好的摻銩鍺酸鹽玻璃光纖．

鍺酸鹽玻璃；預(yù)制棒；化學(xué)腐蝕；界面缺陷

近年來，由于波長2μm附近的激光在醫(yī)療、生物學(xué)研究、遙感和空間光通信、人眼安全激光雷達(dá)等方面的重要應(yīng)用，輸出波長2μm的光纖激光器得到迅猛的發(fā)展[1]．在2μm激光玻璃基質(zhì)的選擇上，鍺酸鹽玻璃具有一系列的優(yōu)異性能：寬的成玻范圍、較好的成玻性能、良好的拉絲性能和機(jī)械性能，其900 cm－1聲子能量與Tm3＋交叉弛豫能量傳遞所需聲子能量相匹配，利于提高激光器的量子效率[2－3]．然而，多組分鍺酸鹽玻璃光纖主要采用管棒法制備光纖預(yù)制棒，纖芯與包層玻璃的光學(xué)加工質(zhì)量在很大程度上會(huì)影響光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生較大的附加損耗．鍺酸鹽玻璃經(jīng)機(jī)械加工拋光后，會(huì)在表面留下劃痕、坑洞等缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致在拉絲過程中纖芯和包層界面產(chǎn)生微晶，并成為激光能量的超強(qiáng)吸收點(diǎn)，降低鍺酸鹽玻璃的激光負(fù)載能力．為提高鍺酸鹽激光玻璃的表面平整度，避免芯包界面處出現(xiàn)微晶，利用酸性腐蝕液進(jìn)行化學(xué)腐蝕是一種潛在的提高玻璃表面質(zhì)量的途徑[4－5]．本文以鍺酸鹽系統(tǒng)作為研究對象，對鍺酸鹽玻璃表面的化學(xué)腐蝕拋光進(jìn)行了初步研究，以期得到良好的光學(xué)界面所需的最佳腐蝕拋光溶液以及拋光反應(yīng)時(shí)間．

1 實(shí)驗(yàn)方法

為了研究摻銩鋇鎵鍺酸鹽玻璃光纖的纖芯玻璃與包層玻璃化學(xué)拋光質(zhì)量對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的影響，選擇了物化性質(zhì)較為匹配的鍺酸鹽纖芯玻璃和包層玻璃，其性質(zhì)列于表1．將纖芯玻璃和包層玻璃加工成20 mm×10 mm×2 mm的玻璃片，試樣表面經(jīng)機(jī)械拋光后用于測試．

用高純水配制合適濃度的HCl溶液，王水（HCl∶HNO3＝3∶1）溶液，NH4Cl－HCl緩沖溶液．腐蝕溫度（25±1）℃，進(jìn)行腐蝕拋光．經(jīng)過腐蝕后的玻璃樣品在XPS－8C型三筒光學(xué)顯微鏡（500×）下觀察玻璃的表面形貌．樣品經(jīng)腐蝕拋光后，按圖1所示疊放，將樣品放入馬弗爐中在890℃下保溫10 min，模仿拉絲過程中芯包界面狀態(tài)的變化．冷卻后的樣品側(cè)面經(jīng)研磨拋光處理，用三筒光學(xué)顯微鏡觀察纖芯與包層界面狀態(tài)并在電腦上成像．

表1 鍺酸鹽纖芯和包層玻璃的性能參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)樣品疊放示意圖

2 結(jié)果與討論

2．1 被腐蝕后的玻璃表面

BaO－Ga2O3－GeO2系統(tǒng)玻璃是由 Ge4＋和 Ga3＋離子與陽離子形成四配位的多面體，Ba2＋離子作為網(wǎng)絡(luò)修飾體存在于網(wǎng)絡(luò)空隙中，對[GaO4]－四面體進(jìn)行電荷補(bǔ)償．用化學(xué)腐蝕液對鍺酸鹽玻璃進(jìn)行腐蝕時(shí)，腐蝕液中的水分子可能會(huì)與玻璃反應(yīng)，破壞玻璃體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)．所以，首先選取玻璃在高純水中的腐蝕情況，以排除水分對玻璃腐蝕的影響．玻璃在高純水中的腐蝕效果如圖2所示．由圖2可見，經(jīng)6 h浸泡腐蝕后，玻璃在高純水中并未發(fā)生明顯變化．因此，在實(shí)驗(yàn)中，在短時(shí)間化學(xué)腐蝕的情況下，可以不考慮水的影響．玻璃經(jīng)不同腐蝕溶液和腐蝕時(shí)間的腐蝕效果列于表2．

圖2 玻璃在高純水中的腐蝕效果（a）腐蝕前；（b）浸泡腐蝕6 h后

玻璃在酒精、緩沖溶液和王水中腐蝕后效果如圖3所示．由圖3可知，酒精溶液及p H＝5．6的NH4Cl－HCl緩沖溶液對玻璃樣品的化學(xué)腐蝕作用不強(qiáng)，在30 min內(nèi)，玻璃的表面未發(fā)生明顯的變化，而在王水溶液中玻璃腐蝕較快，1 min后即可在其表面出現(xiàn)白色覆蓋層．

表2 不同腐蝕溶液及腐蝕時(shí)間的腐蝕效果

圖3 玻璃在酒精、緩沖溶液和王水中腐蝕后效果圖（a）酒精溶液腐蝕30 min；（b）NH 4 Cl－HCl腐蝕30min；（c）王水腐蝕1 min

由圖4可知在HCl溶液中腐蝕較快，效果明顯．實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通過控制HCl溶液的p H和腐蝕時(shí)間，可以得到理想的光滑潔凈表面，并腐蝕出新鮮表面．

圖4 玻璃在HCl溶液中腐蝕效果圖（a）5 min（b）15 min（c）30 min

2．2 熱處理后芯包界面的狀況

在馬弗爐中熱處理后芯包界面的圖像如圖5所示．由圖5可知，用酒精和緩沖溶液浸泡清洗后，芯包玻璃經(jīng)過熱處理后，在芯包界面處會(huì)產(chǎn)生一層不透明的乳濁狀物質(zhì)，在顯微鏡下觀察，芯包界面不透明．這主要是由于，酒精和緩沖溶液清洗后，玻璃表面的雜質(zhì)粒子仍會(huì)遺留在玻璃表面上，從而導(dǎo)致了芯包界面的缺陷——微晶化．而用HCl和王水腐蝕清洗后，芯包界面缺陷少，無不透明層狀物質(zhì)，這主要是由于雜質(zhì)粒子在酸蝕的作用下得以溶解，玻璃表面裂紋銳度減弱，從而得到較好的表面狀態(tài)．

圖5 在馬弗爐熱處理后界面圖像（a）酒精溶液清洗；（b）緩沖溶液清洗；（c）p H＝2的 HCl清洗10 min；（d）王水清洗1 min

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將同組分的鍺酸鹽玻璃制成預(yù)制棒，玻璃經(jīng)機(jī)械拋光后，用p H＝2．5的HCl溶液清洗10 min，并在拉絲塔上拉絲．拉絲后的光纖端面如圖6所示．由圖6可知，芯包界面良好，沒有黑色薄層，缺陷較少，可以預(yù)測在這種情況下光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)會(huì)比較完整．

圖6 光纖的端面

3 結(jié) 論

對鍺酸鹽纖芯玻璃和包層玻璃進(jìn)行化學(xué)腐蝕拋光，以及在馬弗爐中模擬拉絲過程的研究表明，用p H＝2．5的鹽酸溶液對玻璃進(jìn)行化學(xué)腐蝕拋光，能夠有效溶解殘留在玻璃表面的雜質(zhì)，去除尖銳的裂紋，最大限度地降低芯包界面的缺陷．而用王水溶液腐蝕拋光，雖然也能有效溶解殘留在玻璃表面的雜質(zhì)，但由于王水對玻璃的腐蝕嚴(yán)重，不易控制腐蝕程度，在很短的時(shí)間就能使玻璃表面出現(xiàn)白色覆蓋層，造成芯棒尺寸不匹配，不宜用于光纖預(yù)制棒的清洗拋光．酒精溶液和緩沖溶液對玻璃表面的殘留雜質(zhì)粒子起不到溶解消除的作用，因此也不適用于光纖預(yù)制棒的清洗．

[1]BARNES N P，WALSH B M，REICHLE D J，et al．Tm：fiber lasers for remote sensing[J]．Opt Mater，2009，31：1061－1064．

[2]WU J F，YAO Z D，ZONG J，et al．Highly efficient high－power thulium－doped germanate glass fiber laser[J]．Opt Lett，2007，32：638－640．

[3]YU Shenlei，YANG Zhongmin，XU Shanhui．Judd－Ofelt and laser parameterization of Tm3＋－doped barium gallo－germanate glass fabricated with efficient dehydration methods[J]．Opt Mater，2009，31：1723－1728．

[4]馮正蓉．光纖強(qiáng)度與預(yù)制棒表面處理技術(shù)[J]．光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，1996（2）：45－49．

[5]林達(dá)愿，楊鋼鋒，鄧再德．玻璃加工質(zhì)量對有源光纖芯包界面缺陷的影響[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（1）：4－6．

Effect of chemical polishing on interface defects in Tm3＋－doped germanate glass fiber perform

ZHANG Wei－nan，WANG Jian－wen，QIAN Qi，XU Shan－h(huán)ui，YANG Zhong－min
（Key Lab of Special Functional Materials，Ministry of Education，and Institute of Optical Communication Materials，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Chemical polishing with different solutions and imitating fiber drawing with glass sheets were adoped，the effect of chemical polishing quality on defects of interface in Tm3＋－doped germanate glass fiber perform was investigated．The results show that HCl with p H＝2．5 can dissolution impurities efficiently．According to the analyses，the germanate glass fiber perform was made to draw glass fibers with little defects between core and cladding．

germanate glass；perform；chemical polishing；interface defects

TB302．4

A

1673－9981（2010）04－0330－04

2010－10－20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60977060，2009．01－2011．12）

張偉南（1954—），男，廣東廣州人，工程師．