一种量子点掺杂微晶玻璃光纤的制备方法.pdf

本发明公开了一种量子点掺杂微晶玻璃光纤的制备方法，包括以下步骤：(1)制备量子点掺杂纤芯玻璃；(2)选取拉丝温度高于纤芯玻璃熔融温度的中通式玻璃管作为包层管；(3)将步骤(1)处理后的量子点掺杂纤芯玻璃加工成圆柱形玻璃细棒，再将其与包层管套在一起，制成预制棒；(4)拉制光纤；(5)热处理光纤。本发明工艺简单，可控性强，避免了光纤拉制时的异常析晶，制备出的微晶玻璃光纤透光性能良好，具有较强的宽带发光，并在光纤中实现了光放大。本发明的方法制备的微晶玻璃光纤有望实现光纤中宽带光增益，适用于宽带可调谐光纤放大器、激光器上。

权利要求书
1.  一种量子点掺杂微晶玻璃光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备量子点掺杂纤芯玻璃，并在量子点掺杂纤芯玻璃成型后立即进行退火处理；
(2)选取包层管：选取软化温度高于纤芯玻璃熔融温度的中通式玻璃管作为包层管；
(3)将步骤(1)处理后的量子点掺杂纤芯玻璃加工成圆柱形玻璃细棒，抛光使表面呈镜面；再将洗净的玻璃细棒插入包层管中，包层管底部用包层用玻璃封牢，制成预制棒；
(4)将预制棒放入拉丝塔内，升温至包层管的拉丝温度，此时纤芯玻璃处于熔融状态，拉制光纤；
(5)将光纤装入干净的石英管内，放在退火炉中进行退火，直到纤芯中均匀析出量子点纳米微晶。

2.  根据权利要求1所述的量子点掺杂微晶玻璃光纤的制备方法，其特征在于，所述量子点掺杂纤芯玻璃中的量子点为PbS、PbSe、CdSe、CdS和CdTe中的任意一种。

3.  根据权利要求1所述的量子点掺杂微晶玻璃光纤的制备方法，其特征在于，所述量子点掺杂纤芯玻璃为量子点掺杂多组分玻璃。

4.  根据权利要求3所述的量子点掺杂微晶玻璃光纤的制备方法，其特征在于，所述包层管为高纯石英管、硅酸盐玻璃管中任意一种。

5.  根据权利要求1所述的量子点掺杂微晶玻璃光纤的制备方法，其特征在于，所述量子点掺杂纤芯玻璃的组分摩尔百分比如下：
B2O3:5～15％
K2O:10～25％
ZnO:3～10％
ZnS：0.5～5％
PbO:0.25～2.5％
余量为SiO2。

6.  根据权利要求1所述的量子点掺杂微晶玻璃光纤的制备方法，其特征在于，所述量子点掺杂纤芯玻璃的组分摩尔百分比如下：
B2O3：1～10％
Al2O3：1～10％
ZnO：1～10％
Na2O：5～25％
PbO：0.5～5％
AlF3：0.5～5％
Se:0.5～5％
C：0.5～3％
余量为SiO2。

说明书一种量子点掺杂微晶玻璃光纤的制备方法
技术领域
本发明涉及微晶玻璃光纤的制备方法，特别涉及一种量子点掺杂微晶玻璃光纤的制备方法。
背景技术
近几十年以来，稀土掺杂的光纤放大器,由于其增益高、能级丰富等特点,已经引起了人们极大的兴趣并被广泛研究。但是随着信息时代的发展，窄带宽的稀土掺杂光纤放大器已不能满足人们对通信量日益增长的需求。于是人们的研究目光开始转向宽带发光的光纤放大器。
量子点是一种准零维半导体纳米晶体,其半径小于或接近于激子玻尔半径。量子点三个维度的尺寸都在几到几十纳米,外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向的运动都受到限制,电子的能级量子化,这将引起量子尺寸效应、量子限域效应和表面效应等特殊效应,从而展现出许多独特的电学、光学和磁学特性,不同于宏观体相材料的物理化学性质。目前,常用的掺杂量子点有PbS、PbSe、CdSe、CdS和CdTe等,他们的吸收和辐射谱几乎覆盖了490-2300nm的宽波带。因此，量子点掺杂光纤是实现宽带发光的较好选择。而且量子点辐射波长对尺寸具有一定的依赖性,对于实现宽带可调谐发光极具潜力。
传统的光纤制备方法大多为管棒法，这种方法是首先制备多组分纤芯玻璃以及组分、折射率相匹配的包层玻璃，加工成预制棒，然后再在拉丝温度附近拉制光纤。工艺简单，制备的光纤质量较高。但是对于制备量子点掺杂透明微晶玻璃光纤，这种方法并不适用。因为纤芯玻璃拉丝温度在量子点析晶温度之上，拉制光纤时，温度不断上升，这就会不可控的析出晶体，导致光纤变黑失透，损耗大，甚至发生发光淬灭。因此，为了制备透明的、发光性能良好的量子点掺杂微晶玻璃光纤，必须避免掺有量子点组分的纤芯玻璃在拉制光纤时的异常析晶。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种量子点掺杂微晶玻璃光纤的制备方法，首先制备出含有量子点组分的透明光纤，避免 了传统管棒法拉制量子点光纤时的异常析晶；然后再根据需要，在合适温度下热处理光纤，可控的析出量子点，得到透光性能良好的、具有可调宽带发光的微晶玻璃光纤；工艺简单，可控性强，为量子点掺杂微晶玻璃光纤中实现宽带可调谐发光开辟了新的途径。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种量子点掺杂微晶玻璃光纤的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备量子点掺杂纤芯玻璃，并在量子点掺杂纤芯玻璃成型后立即进行退火处理；
(2)选取包层管：选取拉丝温度高于纤芯玻璃熔融温度的中通式高纯玻璃管作为包层管。；
(3)将步骤(1)处理后的量子点掺杂纤芯玻璃加工成圆柱形玻璃细棒，抛光使表面呈镜面；再将洗净的玻璃细棒插入包层管中，包层管底部用包层用锥形玻璃细棒封牢，制成预制棒；
(4)将预制棒放入拉丝塔内，升温至包层管的拉丝温度附近，此时纤芯玻璃处于熔融状态，拉制光纤；
(5)将光纤装入干净的石英管内，放在退火炉中在适当温度退火一段时间，直到纤芯中均匀析出量子点纳米微晶。
所述量子点掺杂纤芯玻璃中的量子点为PbS、PbSe、CdSe、CdS和CdTe中任意一种。
所述量子点掺杂纤芯玻璃为量子点掺杂多组分玻璃。
所述包层管为高纯石英管、硅酸盐玻璃管中任意一种。
所述量子点掺杂纤芯玻璃的组分摩尔百分比如下：
B2O3:5～15％
K2O:10～25％
ZnO:3～10％
ZnS：0.5～5％
PbO:0.25～2.5％
余量为SiO2。
所述量子点掺杂纤芯玻璃的组分摩尔百分比如下：
B2O3：1～10％
Al2O3：1～10％
ZnO：1～10％
Na2O：5～25％
PbO：0.5～5％
AlF3：0.5～5％
Se:0.5～5％
C：0.5～3％
余量为SiO2。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明采用高软化点玻璃管作为包层管，拉丝时纤芯玻璃处于熔融态，由于粘度较小，内能较大，量子点成分较好的分散在玻璃液中，团聚、析出现象较少。快速冷却成玻璃态，纤芯玻璃中的量子点来不及析出，纤芯保持熔融时的分散状态，避免了传统管棒法在光纤拉制时的异常析晶。再根据需要，适当热处理后得到析出量子点的微晶玻璃光纤。
(2)采用本发明方法制备的量子点掺杂微晶玻璃光纤透光性良好，无异常析晶，且具有较强的、峰位可调的宽带发光，并检测到光放大。本发明的方法制备的微晶玻璃光纤有望实现光纤中宽带光增益，适用于宽带可调谐光纤放大器、激光器上。
附图说明
图1为本发明的实施例的量子点掺杂玻璃光纤以及不同热处理后微晶玻璃光纤荧光光谱图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
1.纤芯玻璃的制备：
(1)纤芯玻璃采用如下配方：组分摩尔百分比
B2O3:8％
K2O:18％
ZnO:6％
ZnS：2％
PbO:1％
SiO2：65％
(2)按组分配方称取高纯粉末状原料150g，在玛瑙研钵中充分混合均匀。
(3)将混合均匀的物料倒入200ml刚玉坩埚中，加上盖子，放入高温电炉中，缓慢升温至1380℃保温1h，然后放入搅拌杆，慢速搅拌(10转每分钟)30min，再保温1h，出料，成型为四方长条状玻璃样品。
(4)将玻璃立刻放入退火炉中于450℃保温2h，消除部分应力。
2.包层管的选取：
包层管选用硅酸盐玻璃管，其制备过程如下：
(1)包层玻璃的组分摩尔百分比为：
K2O：8％
Al2O3：20％
SiO2：72％
(2)按组分配方称取高纯粉末状原料650g，在玛瑙研钵中充分混合均匀。
(3)将混合均匀的物料倒入800ml刚玉坩埚中，加上盖子，放入高温电炉中，缓慢升温至1700℃保温1h，然后放入搅拌杆，慢速搅拌(10转每分钟)30min，再保温1h，出料，成型为四方长条状玻璃样品。
(4)将玻璃立刻放入退火炉中于750℃保温2h，消除部分应力。
(5)在机床上将包层玻璃加工成内径3.1mm，外径20mm，长度为150mm的中通圆柱状玻璃管，并将内外表面抛光成镜面，作为包层管。
3.预制棒制备
(1)将制备好的纤芯玻璃在机床上冷加工成直径3mm，长50mm的圆柱细棒，抛光使表面呈镜面，并将端面磨平以减少空隙气泡。
(2)用盐酸、无水酒精等将纤芯玻璃细棒以及包层管清洗干净。
(3)将玻璃细棒插入包层管中，下部用直径2.7-3.3mm的端面磨平的锥形石英玻璃细棒塞紧封住，制成预制棒。
4.光纤拉制
将预制棒放入拉丝塔内，缓慢升温，使炉子温度升到包层管的拉丝温度附近，保温15min。通过调整拉丝的速度和预制棒下料速度，拉制出不同尺寸的光纤。
5.光纤热处理：
将3段光纤装入不同的石英管内，放在3个不同退火炉中，分别在580℃、600℃、620℃保温24小时，制备出透光性能较好，发光较强的微晶玻璃光纤。
6.对已制备好的光纤进行表征，所制备的量子点微晶玻璃光纤透光性能良好，无异常析晶，热处理后纤芯中析出PbS纳米微晶后光纤仍然较透明。图1为量子点掺杂玻璃光纤以及不同热处理后微晶玻璃光纤荧光光谱图。不同热处理后光纤中析出不同粒度的量子点纳米微晶，进而具有不同波段的发光。对应于580℃热处理，光纤具有850-1200nm波段宽带发光；对应于600℃，具有1100-1500nm波段宽带发光；对应于620℃，具有1200-1650nm波段宽带发光。而热处理前玻璃光纤中并无量子点晶体析出，因此无明显发光。进一步实验，在微晶玻璃光纤中实现了光放大。
实施例2
1.纤芯玻璃的制备：
(1)纤芯多组分玻璃采用如下配方：组分摩尔百分比
B2O3：5％
Al2O3：10％
ZnO：5％
Na2O：5％
PbO：0.5％
AlF3：5％
Se:0.5％
C：3％
SiO2：66％；
(2)按组分配方称取高纯粉末状原料150g，在玛瑙研钵中充分混合均匀。
(3)将混合均匀的物料倒入200ml刚玉坩埚中，加上盖子，放入高温电炉中，缓慢升温至1550℃保温1h，然后放入搅拌杆，慢速搅拌(10转每分钟)30min，再保温1h，出料，成型为四方长条状玻璃样品。
(4)将玻璃立刻放入退火炉中于400℃保温2h，消除部分应力。
2.包层管的制备：
本发明采用Heraeus公司生产的F300型号高纯石英管作为包层管。外径25mm，内径3.1mm，长度为200mm，内外表面抛光呈镜面。
3.预制棒制备
(1)将制备好的纤芯玻璃在机床上冷加工成直径3mm，长50mm的圆柱细
棒，抛光使表面呈镜面，并将端面磨平以减少空隙气泡。
(2)用盐酸、无水酒精等将纤芯玻璃细棒以及包层管清洗干净。
(3)将玻璃细棒插入包层管中，下部用直径2.7-3.3mm的端面磨平的锥形石英玻璃细棒塞紧封住，制成预制棒。
4.光纤拉制
将预制棒放入拉丝塔内，缓慢升温，使拉丝炉温度升到高纯石英管的拉丝温度附近，保温15min。通过调整拉丝的速度和预制棒下料速度，拉制出不同尺寸的光纤。
5.光纤热处理：将3段光纤装入不同的石英管内，放在退火炉中，在不同温度(530℃、560℃、590℃)下保温1小时进行热处理，制备出透光性能较好，发光较强的微晶玻璃光纤。
6.对已制备好的光纤进行表征，所制备的量子点微晶玻璃光纤透光性能良好，无异常析晶，热处理后纤芯中均匀析出PbSe纳米微晶后光纤仍然较透明。对应于530℃热处理，光纤具有1000-2000nm波段宽带发光，对应于560℃，具有1500-2400nm波段宽带发光，对应于590℃，具有2000-3000nm波段宽带发光。并且在微晶玻璃光纤中实现光放大。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，如所述量子点掺杂纤芯玻璃中的量子点还可为CdSe、CdS和CdTe中的任意一种；其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。