[发明专利]一种镨掺杂离子交换铝锗酸盐玻璃波导的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于稀土掺杂光学器件制备领域，具体涉及一种镨掺杂离子交换铝锗酸盐玻璃波导的制备方法。

背景技术

光动力治疗作为一种新兴的癌症治疗有效方法，因其具有毒性低，正常组织受损小；冷光化学反应，不影响其他治疗；可重复用药，无药物耐受性等优点，正日益受到人们的关注。该方法是指在氧分子存在的前提下，采用适当波长的光照，诱发在肿瘤病灶优先富集的抗癌光敏药物发生一系列光动力反应，促使氧分子转化为单线态氧，从而破坏肿瘤组织，杀死癌细胞。作为光动力治疗的关键设备，对辐照光源的选择要考虑以下两个方面：首先，其波长要与光敏药物的有效激发谱带相一致；其次，辐照光要有一定的组织穿透性。目前已投入临床使用的多数光敏药物(如：光敏素、血卟啉衍生物、酞菁配合物等)，均可被600-730nm波长范围的红光有效激发，且位于此范围的红光具有有较好的组织穿透性，其穿透深度可达5mm，因此，输出红光的YAG激光器、半导体激光器以及多种发光二极管(LED)被普遍应用于光动力癌症治疗。然而这些辐照光源均存在着一定程度上的不足，尽管激光具有单色性好、易通过光纤传输的优势，但其功率密度过高，一旦发生目标定位失误将损害人体健康组织，引起发炎、灼伤和肿胀，并且激光器成本较高，寿命有限，造成了光动力治疗设备的使用成本高昂。采用大功率、多波长的LED作为辐照光源是治疗鲜红斑痣、痤疮、尖锐湿疣等皮肤肿瘤及皮肤表面疾病的有效手段，然而LED无法实现与光纤系统的高效率耦合，其治疗效果仅停留在皮肤表面，无法到达人体内部。此外，LED光源只能输出单一中心波长的光，难以实现对数种光敏药物的同时激发，从而严重制约了治疗效果。因此，研发辐照波长适宜，输出能量稳定，可与光纤高效耦合的理想光动力癌症治疗辐照光源成为了当务之急。

当具有波导结构的稀土掺杂光学器件被泵浦时，稀土离子各能级的粒子数呈反转分布，在极强的相互作用下，粒子发光的“个性化”特性逐渐向相关一致的“共性”转化，单个粒子独立的自发辐射逐渐变为多个粒子协调一致的受激辐射，这种对自发辐射的放大所产生的辐射被称为“放大的自发辐射”，如果泵浦足够强，特定方向上的“放大的自发辐射”将大大加强，这种加强了的辐射被称为“超荧光”。在稀土离子掺杂的波导器件中产生的超荧光具有很强的方向性，利用在600-730nm波长范围具有有效荧光发射的稀土离子，如钐、铕、镨等作为掺杂剂，制备成集成化的光波导器件，将其中产生的“超荧光”作为光动力癌症治疗辐照光源可具备以下优点：具有较宽的发射谱带，可实现多种光敏药物的同时激发；荧光强度的可调节性强，功率密度适中；可实现与光纤的高效耦合，便于将辐照光顺利导入人体，准确到达病灶区域。因而，稀土离子掺杂光学波导有望取代激光和发光二级光，成为光动力癌症治疗的理想辐照光源。

此外，稀土掺杂光波导器件可以把能量约束在较小的区域内传播以提高光功率密度，并且具备结构紧凑，高集成化，规模生产成本低等优点，因而在激光、通讯、照明等领域中亦有着重要的应用前景。氧化物玻璃在可见和近红外波段具有很高的透过率，均匀性好，性能稳定可靠，生产和加工技术成熟，是制备光波导的理想基底材料。在溅射、溶胶凝胶法、化学气相沉积等众多在玻璃材料上制作波导的工艺技术中，离子交换法有着不可替代的优越性，该方法易于控制，工艺简单，成本低廉，制备的玻璃波导传输损耗低，折射率及模场分布与光纤匹配良好，因而越来越受到人们的青睐和重视。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于明确特定的离子交换条件，以性能优良的镨掺杂铝锗酸盐玻璃为基底，研制可分别匹配单模、多模光纤的离子交换条形波导，并以此为基础，制备可产生放大自发辐射荧光的光波导器件。本发明利用镨离子在600-730nm波长范围的连续发射，首先采用独特的原料配比和制备工艺，熔制了均匀性与透明度俱佳的低声子能量铝锗酸盐玻璃，经实验证明，该种玻璃可被420-510nm波长范围的多种激光和发光二级光激发，产生连续覆盖460nm-760nm的多色彩、宽谱带荧光发射。以此为基础，本发明研制了一系列多模平面波导和可分别匹配单模、多模光纤的离子交换条形波导，并在条形波导中实现了镨离子覆盖可见和红外区域的放大的自发辐射。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种镨掺杂离子交换铝锗酸盐玻璃波导的制备方法，该方法包括如下步骤：