[发明专利]二氧化锗空芯光波导的酸诱导液相沉积制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化锗空芯光波导的酸诱导液相沉积制备方法，属于光学材料应用领域。

背景技术

二氧化碳激光是一种重要的中红外激光，其波长为10.6微米，正好处在大气窗口，大气对它吸收小，但是人体组织和金属等对它有较大吸收系数。因此二氧化碳激光在红外光电子信息技术、激光医疗和材料成型加工等领域中具有重要应用。目前由于缺乏有效地传输手段使二氧化碳激光在这些领域中的应用受到较大的限制。二氧化碳激光波长决定了它不能用传统的石英通讯光波导来进行传输。空芯光波导以空气作为传输介质，能够避免实芯光波导中热量难于散失以及杂质离子吸收损耗高等问题，具有较高的能量损伤阀值。因此空芯光波导被认为是传输二氧化碳激光的较好选择。目前实验室研究的空芯光波导有泄漏型和全反射型两类。泄漏型光波导由于金属镜面反射会引起光传播模式的发散和混模现象以及光斑聚焦质量较差等问题而使其应用受到限制。全反射型空芯光波导依据光的全反射原理实现二氧化碳激光的传输，优良的光传输模式使其在聚焦、传感、成像、信号加载等方面具有优势，因此它可以应用于光电信息、红外传感、环境监测、激光医疗和军事红外夜视仪等多个领域。

在全反射型空芯光波导的研究中，材料和制备工艺一直是各国研究者关注的重点。如何选择特定的光波导材料并将其通过合理的工艺制备成具有较低损耗的空芯光波导，是人们面临的重要课题。研究发现，二氧化锗在二氧化碳激光波长10.6微米处发生反常色散而使其折射率小于1，能实现二氧化碳激光通过空气为传输介质的全反射模式传输。在二氧化锗全反射型空芯光波导的制备过程中，最重要的就是在基管内表面上制备一层二氧化锗反射膜。目前制备二氧化锗空芯波导反射膜的主要方法有化学气相沉积和溶胶-凝胶法。化学气相沉积法中使用的前驱体GeCl₄较贵且极易水解，化学气相沉积反应温度上千度，在基管细长狭小空间内的气相化学反应激烈难控，容易出现局部二氧化锗沉积过快而致毛细管堵塞，严重时会引起爆炸。溶胶-凝胶法中使用的锗醇盐前驱物昂贵且极易水解，溶胶合成反应难控制，制备的单层膜厚度过低。因此探索出一种简单易行且能在基管内表面上制备出均匀、致密、厚度达到全反射要求的二氧化锗反射膜，是制备二氧化锗全反射型空芯波导的关键所在。该关键问题的解决对于实现二氧化碳激光的全反射传输并拓宽其在光电信息、红外传感、环境监测、激光医疗和红外夜视等领域的应用具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二氧化锗空芯光波导的酸诱导液相沉积制备方法，该方法成本低，操作简单，方便制备厚膜。

本发明所述的二氧化锗空芯光波导的酸诱导液相沉积制备方法，将二氧化锗溶于碱性溶液生成前驱液，在前驱液中加入酸实现酸诱导均相液相沉积生长二氧化锗膜，并经过对二氧化锗膜进行致密化热处理制得，包括如下步骤：

(1)制备二氧化锗沉积液：将二氧化锗粉末溶解到碱性溶液中，充分搅拌后得到二氧化锗质量浓度为1～12％的前驱液；用酸作诱导剂并将其加入到前驱液中搅拌混合均匀，得到二氧化锗沉积液；

(2)生长二氧化锗膜：将二氧化锗沉积液注入石英玻璃管中，石英玻璃管支撑在支架上在转动状态下沉积20～240小时后在管内壁上生长出二氧化锗膜；

(3)二氧化锗膜的致密化热处理：将内壁上有二氧化锗膜的石英玻璃管干燥后进行热处理致密化，制得二氧化锗空芯光波导。

本发明中：

所选的碱性溶液为氢氧化钠溶液和氨水。

前驱液用酸调节pH为0～5。

在二氧化锗膜生长过程中，石英玻璃管水平转动。

致密化热处理温度为1100～1160℃，时间为10～60分钟。优选在管式电炉内进行。

本发明制得的二氧化锗空芯光波导能够传输二氧化碳激光。

本发明可以通过控制沉积液的浓度、诱导酸的种类、pH值、沉积时间和次数、热处理温度和时间等条件从而制得厚度不同的二氧化锗反射膜。

本发明通过酸诱导液相沉积并经过后续热处理得到了二氧化锗空芯光波导，与化学气相沉积法相比所采用的前驱液稳定且合成成本低，反应温度低，反应条件较为温和且易于控制。与溶胶-凝胶法相比本发明中用二氧化锗与氨水反应生成的前驱体溶液在空气中稳定性好，能够长期保存，所使用的原料和传统的锗醇盐相比价格低廉，能够实现在石英玻璃管的内壁上制得厚度达到微米级的二氧化锗反射膜。

附图说明

图1是石英玻璃基管内沉积二氧化锗膜及其致密化处理后的实物数码照片。

图2是室温下通过酸诱导液相沉积过程生长出的二氧化锗膜的SEM照片。