方再金１,鄭書培１,關柏鷗１,邱建榮２
１暨南大學光子技術研究院
２浙江大學光電科學與工程學院
玻璃具有較高的內能，利用玻璃的介穩狀態特性，通過熱力學控制可在玻璃中析出晶體，從而製備出微晶玻璃。微晶玻璃又叫玻璃陶瓷，按玻璃基質，微晶玻璃可分為矽酸鹽系統、鋁矽酸鹽系統、硼矽酸鹽系統、硼酸鹽系統、磷酸鹽系統和氟氧化物系統六大類。
微晶玻璃作為一種性能優異的結構材料,具有良好的機械性能和較低的熱膨脹係數，被廣泛應用於建築、國防﹑工業及民用等領域。
微晶玻璃中的玻璃相使其具有良好的光學透過性，析出的功能晶體可為發光激活離子引入較強的晶體場環境，從而提高發光效率並調控發光範圍。因此，微晶玻璃也是一種優異的光學增益材料，可將玻璃與晶體材料的優點有機地結合在一起。
微晶玻璃光纖，即以微晶玻璃作為工作物質的光纖。微晶玻璃中大量的玻璃相可為光纖提供良好的光學透過性，同時玻璃相的可加工性為光纖的製備提供了便利條件。
在光纖中可控地析出微小粒徑的功能晶體，在不影響光纖傳輸損耗的前提下，為發光激活離子引入強晶體場環境，以解決傳統玻璃光纖發光效率低下的問題。
此外,還可在光纖中析出微小粒度的非線性功能晶體，進一步拓寬光纖的應用領域。
一般情況下，在用傳統的管棒法製備光纖時，玻璃要再一次經歷加熱的過程。由於玻璃的熱力學介穩特性，在拉製成光纖時玻璃具有很大的析晶趨勢，而且拉絲溫度下的析晶過程大多不可控，大顆粒晶體析出概率大幅度提升，從而易引入嚴重的散射與損耗。
為獲得高質量、低損耗的微晶玻璃光纖，制定出高效的光纖拉絲工藝，避免光纖拉制過程中晶體的不可控析出至關重要。
到目前為止，國內外多個團隊對微晶玻璃光纖的製備技術已進行了一系列的探索與研究，主要研究的光纖種類有:１)稀土離子摻雜微晶玻璃光纖;２)過渡金屬離子摻雜微晶玻璃光纖;３)量子點微晶玻璃光纖;４)倍頻(SHG)微晶玻璃光纖。
稀土離子摻雜氧化物玻璃具有良好的熱力學穩定性,但氧化物玻璃網絡的聲子能量普遍較高,限制了光纖增益效率的進一步提升。
氟化物晶體(LaF３、SrF２、NaYF４等)具有極低的聲子能量，能為稀土離子提供合適的格位環境，是一種高發光效率的基質材料。在氧化物玻璃中摻入氟化物組分，通過熱處理可析出氟化物晶體，從而製成氟氧化物微晶玻璃。
稀土離子摻雜氟氧化物微晶玻璃可兼具良好的穩定性與高效的發光特性，將其製備成光纖材料是提高稀土離子摻雜光纖發光效率的一種有效途徑。
稀土離子摻雜的玻璃光纖已經在近紅外波段獲得多種雷射輸出，技術相對成熟。而中紅外和上轉換發光對光纖材料的晶體場環境非常敏感，這將是稀土離子摻雜微晶玻璃光纖應用研究的重要突破口。
過渡金屬離子是實現寬帶可調諧光纖雷射的一種理想激活離子。然而，在具有弱晶體場環境的玻璃網絡中，非輻射躍遷概率高，過渡金屬離子的發光效率極低，無法有效獲得光學增益。
而在微晶玻璃中，由於強晶體場環境的引入，過渡金屬離子的寬帶發光效率大幅度提高，還可以通過引入不同的晶體環境對其發光中心波長在較大範圍內進行調節。
因此，研究過渡金屬離子摻雜微晶玻璃光纖對推動可調諧光纖雷射器的發展具有重要的意義。
對於稀土離子，在玻璃光纖中已經獲得了大量的雷射輸出，微晶玻璃光纖的作用僅僅是增強其雷射效率。而對於Cr4+ 、Ni2+等過渡金屬離子，在玻璃光纖中幾乎觀測不到發光現象，微晶玻璃光纖的作用是實現發光從無到有的蛻變。由此可見，過渡金屬離子摻雜微晶玻璃光纖的研製需求更加迫切。
由於過渡金屬離子的發光效率較稀土離子低，目前還未在過渡金屬離子摻雜的微晶玻璃光纖中獲得過雷射輸出，還需進一步優化工藝，使晶體帶來的增益遠遠大於所造成的損耗。
量子點屬於半導體材料，具有寬帶發光特性。由於量子限域效應，量子點材料的發光中心波長範圍會隨著其顆粒大小而變化。因此，量子點摻雜玻璃是實現可調諧光纖雷射的又一選擇。
固態玻璃光纖具有極好的光學特性、優良的熱力學穩定性及較低的傳輸損耗。在此前很長一段時間裡，並沒有高質量全固態量子點摻雜光纖的研究報導。主要原因是用rod in tube法製備量子點摻雜光纖時，拉絲溫度下量子點極易析出並迅速長大，光纖整體變黑，這大大增加了光纖的傳輸損耗甚至會導致發光淬滅。
倍頻晶體是一種具有二次諧波效應的非線性晶體，不需要摻入激活離子就能將雷射信號進行頻率轉換，在光學系統中得到了廣泛的應用。
若將倍頻晶體引入光纖中製成微晶玻璃光纖，則可在全光纖網絡系統中對高光束質量的雷射進行頻率轉換，而且這種轉換不依賴入射雷射頻率。
因此，倍頻微晶玻璃光纖在光學集成器件和全光網絡系統中具有很好的應用價值。
Melt in tube法同樣也適用於製備Ba２TiSi２O８微晶玻璃光纖。這種倍頻微晶玻璃光纖的包層材料為石英玻璃，可與石英光纖對接,實現光纖雷射的頻率轉換,在光纖網絡系統中有著巨大的應用潛力。
結束語
微晶玻璃光纖既具有玻璃的高透光性能又具有晶體的強晶體場環境，在提高光纖增益效率和實現寬帶可調諧發光方面具有很好的應用前景。
本文改編自：方再金,鄭書培,關柏鷗,邱建榮.微晶玻璃光纖的研究進展[J].雷射與光電子學進展，2019，56(17)：170609
封面來源：www.plasti-fab.com
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