[发明专利]一种高性能硫系玻璃微球及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学微球及制备方法，特别是一种高性能硫系玻璃微球及制备方法。 

背景技术

光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔，它利用在折射率不连续的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效应，将光限制在一个很小的区域。在光学微腔（微环、微盘、微球、光子晶体）中，球形腔具有最佳限制光在腔内循环的能力，可以具有极高的品质因数（Q）和极小的模式体积，在高灵敏传感器、窄带光学滤波、极低阈值激光器、非线性光学、腔体量子电动力学等许多研究与应用领域具有广泛的应用前景。

目前光学微腔技术主要局限在可见光和近红外区域，鲜有工作在中红外区域的谐振微腔的报道。尽管氧化物材料已被广泛应用于制备高Q谐振腔，但它们的透光范围一般局限于2μm以下，无法用于探测分子振动模、中红外光学激光器和滤波器等领域。另一方面，硫系玻璃（玻璃组成的典型特征是含有S、Se、Te中的至少一种元素且不含氧元素）在中红外波段具有优异的透光性。根据玻璃的组成，其透射范围可涵盖可见光到长波红外22μm。得益于此，硫系玻璃光学元件在化学和生物传感、中红外光谱应用等方面得到了较广泛关注。

所报道的硫系玻璃微腔中，最高Q值是2x10⁶ （1.55μm），在As₂S₃微球上获得，其次是2x10⁵ （1.55μm），在As₂S₃微盘上获得。已报道的硫系玻璃微球的制备方法主要有两种，一种是使玻璃粉末以自由落体形式竖直通过惰性气氛保护的高温管式炉时受热自然形成微球，然而采用此方法获得的微球受重力影响较大，工艺很难控制，微球的Q值较小（报道值小于10⁵）；另一种方法是在惰性气氛下采用聚焦激光或环形加热器对光纤的细小头部进行加热获得微球。由此获得的微球与光纤的顶端相连接，便于移动操作和定位，上述报道的具有最高Q值的硫系玻璃微球（Q=2 x 10⁶）就是采用这种方法制备的，但用这种方法每次只能制备一个微球，且很难得到较完美的球形。理论分析显示，硫系玻璃微球在1μm、1.55μm和3μm波长的极限Q值分别可达到10⁹、7x10⁹和4x10¹⁰。由于材料的吸收、表面的散射及形状的不完美，实验中获得的微球Q值比理论值小几个数量级。

目前硫系玻璃微球存在的关键问题是：1. 大部分硫系玻璃微球具有光敏性，特别是光致折射率变化，导致微球光学性能不稳定；2. 能够传输的功率较低，易损伤；3.制备方法效率低，成本高。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高性能硫系玻璃微球及制备方法，解决常用硫系玻璃微球光学性能不稳定、传输功率低和制备效率低的问题。

本发明的目的是这样实现的，本发明的高性能硫系玻璃微球的化学组成为Ge_xAs_yS_100-x-y，其中8 ≤ x ≤12，20≤ y ≤32。 

硫系玻璃微球通过对‘硫系玻璃/聚合物’复合光纤进行热处理获得，该复合光纤通过对‘硫系玻璃/聚合物’预制棒在光纤拉丝塔上拉制获得；具体步骤如下：

（1）将与选定微球组成相同的硫系玻璃棒表面抛光，然后用聚合物薄膜将玻璃棒卷紧至≥3倍玻璃棒直径作为包层，放入真空炉中，抽真空至1Pa以下，加热升温至240~250^oC，并保温10~30min使聚合物包层密实，之后冷却至室温；

（2）将带聚合物包层的硫系玻璃棒在光纤拉丝塔上拉成所需直径的光纤；对于100~300μm的光纤可一次拉成，对于直径小于100μm的光纤，可采用多次拉纤法获得单芯光纤，或采用传统堆-拉法获得所需直径的多芯光纤；

（3）将带有聚合物包层的硫系光纤放入石英管式炉中，加热至300~350^oC，保温10~60分钟，光纤聚合物包层内的玻璃会断开并形成大量尺寸均匀的微球；

（4）将热处理后的光纤放入N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）溶剂中，微球表面的聚合物层溶解后即得本发明所述的硫系玻璃微球。

所述的聚合物薄膜是聚醚砜树脂PES；或者所述的聚合物薄膜是聚醚酰亚胺PEI。