| 单词 | 光纤材料 |
| 释义 | 【光纤材料】 拼译：optical fiber materials 用于制造光纤的材料，除应满足对一般光学材料的要求外，还应满足损耗低、性能稳定、价格低廉以及色散、折射匹配等的要求。现在生产的光纤所使用的材料有：熔石英、多组分光学玻璃、光学塑料以及一些红外光学材料等。 熔石英 是使用最多的光纤材料，通信用的光纤以及大部分光传感用光纤均由熔石英构成。对用于制造光纤的石英玻璃的纯度要求很严。因为高纯度、均匀的石英玻璃，在可见和近红外区的本征损失很小。但是，一些外来元素产生了严重的杂质吸收，这些主要杂质是Cu2+、V3+、Cr3+、Mn3+、Fe2+、Co2+和Ni2+等金属离子以及OH－离子，它们在可见和近红外区域有很强的吸收损耗。实验证明，在纯熔石英中，要想得到4dB／km(λ=0．85μm)的损耗，杂质浓度应是：OH－＜5mg／kg；Fe2+＜0．05mg／kg；Co2+＜0．01mg／kg；Cr3+＜0．03mg／kg；Mn2+＜0．002mg／kg；Cu2+＜0．01mg／kg，而要想获得0．5dB／km以下的损耗，OH－的含量就应降到几十个ppb。另外，要使光纤具有所希望的折射率分布和纤芯与包层之间必要的折射率差值，就需要在熔石英中掺入适量的其它元素，其含量的多少取决于所希望的折射率值和损耗大小。熔石英(SiO2)的折射率较低，在波长0．589μm处折射率为1．4585，若掺少量的GeO2、P2O5、TiO2或Al2O3可明显地提高折射率；掺少量的B2O3或Fe2O3可使折射率减小，少量杂质的加入，并不明显地影响材料的损耗和色散。例如，在B2O3－SiO2玻璃中，当SiO2含量～84%时，折射率有最小值，比熔石英低0．3%，在GeO2-SiO2玻璃中，折射率随GeO2的含量成正比例增加，GeO2每增加1%时，折射率增加o．1%；在P2O5－SiO2玻璃中，二者也是线性关系，P2O5每增加1%时，折射率将增加0．043%。掺杂量的多少，除考虑折射率值外，还应兼顾光纤的损耗和其它物理性能。由于熔石英制成的光纤(石英系光纤)具有极低的损耗，最佳值为0．2db／km，因此光通信和大多数光传感均使用这种光纤。光学玻璃 具有高透明度、光学性能均匀和稳定、光纤制作工艺较简单等优点，所以它也是制作光学纤维的重要材料。为了提高光学纤维的透光性能，要求所选择的光学玻璃中过渡族金属离子含量要少，以最大限度地减少杂质的吸收，同时还要求光学玻璃尽量没有气泡、条纹和结石，以降低光纤的散射损耗。光学玻璃由于品种繁多、折射率值和物理性能差别较大，用于制造光纤时选择余地较大，便于制成一些特种光纤。例如：对辐射增敏或去敏的光纤，对温度增敏或去敏的光纤等；选取折射率相差较大的材料则可制成大数值孔径光径，数值孔径可大于0．30，甚至高达0．80，这有利于大大增加光纤的集光能力(石英系光纤的数值孔径仅为0．10～0．20)。但是由光学玻璃制成的光纤其损耗值比石英系光纤要大2～3个数量级，因此其有效可用长度仅为数米，这种光纤只能用于短距离传光和传感，而不能用于光通信。光学塑料 由于它具有重量轻(是玻璃比重的1／2～1／3)、柔软性好、抗冲击强度好、对不可见光透过性能好(在远红外和紫外波段透过率优于光学玻璃)、成本低、控制光纤工艺简单等优点，因而也是一种重要的光纤材料。但是，由于塑料光纤是用单体聚合而成，很难得到密度均匀的材料，因而光学均匀性差、光纤损耗大。塑料光纤损耗比石英系光纤要大2～3个数量级，目前最佳值为20dB／km。塑料光纤的另一个缺点是耐热性差，一般使用温度不能超过80℃；另外，它的化学稳定性也较差，在丙酮、醋酸乙酯或者苯的作用下，光学性能都会受到很大的影响。选择塑料光纤的材料时，主要应考虑光学塑料的光谱透过率和折射率以及光学均匀性。光学塑料的折射率和塑料的化学组成有关。一般是组成中具有的官能团越多，折射率就越大；当在基质成分中引入原子量大的原子或极性大的官能团时，折射率就增加。大多数光学塑料折射率均在1．4～1．6之间，由于折射率变化范围较大，因此塑料光纤具有较大的数值孔径。此外，选择材料时还应考虑光学塑料的热性能、机械性能以及成本等，因此可供选择的光学塑料不多，目前只有聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯等几类。其中纤芯材料主要是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)。如芯材料用n=1．49的聚甲基丙烯酸甲酯，则包层材料可用n=1．40左右的含氟聚合物。如芯材料用n=1．58的聚苯乙烯，则包层材料可用聚甲基丙烯酸甲酯。红外材料 为满足制造低损耗光纤的要求，这种材料应该具有：散射损耗小、杂质(过渡族金属和OH－基)的吸收损耗小、材料色散小(可选工作波长近于零色散的位置，材料结构稳定的特点。目前，对红外光纤材料的研究主要集中在3个方面：(1)红外玻璃。其中包括重金属氧化物玻璃，例如：GeO2－Sb2O3，CaO-Al2O3，TeO2－(WO3／BaO)－(TaO，Bi2O3／ZnO，PbO)等，其透光范围为0．4～5．0μm；氟化物玻璃，例如：：ZrF4－BaF2-GdF3－AlF3，ZrF4－BaF2，－LaF3－AlF3等；和硫属化物玻璃，例如：As-S，Ge-Se，GeSe-Te等，其透光范围是0．5～12μm。这类玻璃中，最有希望的是S基玻璃光纤，因为它熔点高、工艺性能好。(2)多晶材料。例如KRS5(即T1Br-TlI)Ag(Cl／Br)，KCl，KBr等，其透光范围视材料不同为0．5～40μm。(3)单晶材料。例如：KRS5，CsI，CsBr，KCl，KBr等，其透光范围视材料不同为0．5～55μm，上述多晶材料和单晶材料都是卤化物晶体，这些都是良好的红外透过材料，曾被广泛用于制作红外窗口、棱镜和透镜等光学元件，现在则是红外光纤的预选材料。目前红外光纤制作的主要困难是损耗值太大。实际的损耗值(103dB／km)远远大于理论上的预计值(10－2～10－3dB／km)，损耗的主要产生原因是杂质的吸收。【参考文献】：1 刘德森，等．纤维光学，北京：科学出版社，19872 黄德群，单振国，干福熹．新型光学材料，北京：科学出版社，1991(清华大学博士生导师廖延彪教授撰) |
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