[发明专利]低温玻璃中的光致折射率变化

说明书

发明的领域

本发明涉及材料中的光致折射率变化。更详细而言，本发明涉及显示光致折射率变化的低温玻璃。

发明的背景

术语“光致折射(photorefraction)”用来描述材料用光线照射之后其折射率发生变化的现象。这一现象最初是在某一有限种类的晶体材料中发现的，这些晶体材料是光电导性的并显示大极性效应。这些材料的一个例子是LiNbO₃。在有机聚合物材料中也可以得到这类“光致折射”行为。在这些聚合物材料中，以宾主形式向聚合物中加入多种光敏剂。

近来报道一类新的材料表现显著的“光致折射”行为。这些材料是xSiO₂-(1-x)GeO₂类中的玻璃。这些材料的这一效应的成因完全不同于以上提到的铁电性晶体。受激准分子激光(193nm和248nm)引起这些材料中的折射率变化，这起源于玻璃结构中的“缺陷”产生的大的吸收变化。因为该效应最初发现于单模光纤，又因为光致折射率变化的主要应用是制造光纤中的相位光栅(phase gratings)，所以在技术文献中该“光致折射”行为通常被称作“光纤布拉格光栅”。据报道，该效应延伸至其它二元SiO₂组合物，如P₂O₅、SnO和Ce₂O₃。到目前为止，最大的光致折射率变化发生于SiO₂-GeO₂体系，变化值据报道有0.001这么大。通过在光线照射之前使分子氢充满该玻璃，可以增加SiO₂-GeO₂体系中的折射率效应的大小。

美国专利4,314,031和4,379,070介绍并揭示了氟氧化锡磷玻璃(tin-phosphorous oxyfluoride glasses)，这两个专利作为本发明的依据并通过参考而引用于本发明中。美国专利4,314,031揭示了氟氧化锡磷玻璃令人满意地具有非常低的玻璃化转变温度，通常低于100℃，还能具有优良的抗高温湿气侵入的性能。美国专利4,379,070揭示了将氟氧化锡磷玻璃用作基材支承光敏性和电场敏感性的多环芳香烃化合物。然而，这两个专利都未揭示或提出氟氧化锡磷玻璃显示“光致折射”效应和将氟氧化锡磷玻璃用作光致折射材料。

还需要提供一种显示“光致折射”效应的材料，它能够掺杂多种材料(包括无机和有机掺杂剂)，用来改变由该材料制得的器件的光学性能。

发明的概述

本发明涉及一种氟氧化锡磷玻璃体系，它显示强的“光致折射”效应，其机理不同于上述晶体类或二氧化硅-二氧化锗类物质的机理。据发现，将氟氧化锡磷玻璃用波长短于该玻璃吸收区起点的光线照射一段足够的时间，该玻璃的吸收没有或几乎没有变化，但其折射率变化可以大于约0.0004。多种器件可以由氟氧化锡磷玻璃制得，该玻璃已经用波长短于该玻璃吸收区起点的光线照射。

因此，总的来说本发明提供了一种器件和制备该器件的方法，所述器件包含氟氧化锡磷玻璃，该玻璃已经光线照射一段足以改变其折射率的时间。较好的是，光线的波长短于约350nm，这大致对应于玻璃吸收边界的起点。氟氧化锡磷玻璃组合物可以包含约20-85％Sn、2-20％P、3-20％O、9-36％F，并且Sn+P+O+F的总量至少为60％，这些量是由混合料计算得到的以元素计的重量百分数。该组合物还包含约0-40％阳离子调节剂和约0-20％阴离子调节剂。用于制备本发明器件的玻璃还可以掺杂光学非线性有机染料以改变玻璃的光学性能。

在本发明的一个方面，器件可以包含光波导区域。在本发明的另一方面，器件可以包含周期性的折射率结构，如衍射光栅。因此，本发明的器件可以形成多种形状，包括平面形式和光纤形式。光栅和波导可以通过改变玻璃选定部分的折射率来形成，这可以通过将所选定部分用波长短于该玻璃吸收边界起点的光线照射而加以实现。例如，可以利用光干涉图样来形成光栅，或者可以对玻璃进行选择性的遮蔽而在玻璃中形成周期性的折射率结构。