氟化物玻璃光纤的前世今生
原创 fluoride Thorlabs索雷博
为什么需要氟化物玻璃光纤？
选择光纤材料时要考虑技术和经济因素。不仅玻璃应具有要求的透射范围、玻璃特征温度和 nai 用 等性质，而且技术应足够成熟才能实现高性价比、高质量光纤的量产。但没有一种材料能满足所有的应用需求。
石英光纤是当今 zui 成,熟的光纤技术，但标准石-英光纤无法用在2 μm以上的波长，即使特种空芯光纤能传输一些中红外波长而技术又不成熟。对于2 μm以上或者从紫外一直到中红外的连续光谱应用，我们只能考虑很少的材料，比如重金属氟化物、硫属化物、TeO2等重氧化物、磷酸盐、蓝宝石等单晶以及多晶材料，而能够用于拉制高质量光纤并满足工业应用要求的材料就更少。
在上述材料中，氟化物玻璃光纤是更*的技术。氟化物光纤在过去二三十年有了很大的发展，并已用于各种工业应用，包括要求严格的航空应用。氟化物玻璃几乎能用于所有不同类型的光纤，包括掺杂和非掺杂的多模和单模光纤，而六边形、方形和D形光纤也都已见诸报导。氟化物玻璃具有较低的折射率和dn/dt负数值，并能重掺或共掺任何稀土离子，只用较短的光纤就能实现紧凑的激光器和放大器等有源器件。下面展示的是基于氟化物光纤的O波段掺镨光纤放大器和中红外超连续激光器。
掺镨光纤放大器 中红外超连续激光器
氟化物玻璃
BeF2是 zui 早 出现的氟化物玻璃，但由于红外范围并不比石英宽很多且 you ju 毒，因此这种玻璃 mei 有 任,何实际应用。
1970年代中期，一种新的氟化物玻璃系统由Michel Poulain在 fa 国 雷恩大学意外发现。他当时将稀土氟化物与氟化锆和氟化钡混合并研究BaZrF6和LnZrF7的晶相，但发现有些晶体结构中很大的自由晶格点可容纳离子。于是他决定在混合物中加入氟化钠，看钠离子能否占据自由点。当他把装混合物的镍管从800 °C炉子放到水中迅速冷却到室温时，熔化的混合物并没有像预期一样变成粉末，而是一块玻璃，还是一块彩色玻璃。重金属氟化物玻璃就此诞生了！
在此之后，quan shi 界 数十个实验室加入了氟化物玻璃和光纤技术的研究，使数百种玻璃系统见诸报导。由于这些玻璃的形成面积很大，有些参数可根据应用进行修改，包括折射率、玻璃转变温度和热膨胀系数。
三种主要的氟化物玻璃分别基于氟化锆、氟化铝和氟化铟，即玻璃中含量 zui 多 的成分。氟化铟玻璃具有 zui 宽 的透射波长范围，氟化铝 zui 耐水，而氟化锆玻璃是 zui 稳定的，它的两种标准成分是ZBLAN和ZBLA，摩尔百分比如下表所示。
氟化物光纤
实际上，氟化物玻璃是能提供从紫外一直到中红外连续透射范围且能拉制成高质量光纤的 wei 一 材料。氟化物光纤使用和石英光纤相同的技术从预制棒开始拉制。这种技术能很好地控制光纤直径和同心度等参数，而且能用于拉制六边形、D形、方形和光子晶体等 te 殊 光纤。
quan 世,界只有很少的软玻璃拉丝塔，而Thorlabs就有两个。这些拉丝塔实际上需要自己构建，而且都是不同的。一般而言，它们和石英拉丝塔相似但更短。这是因为氟化物玻璃的拉丝温度远低于石英，所以拉丝炉和涂覆杯的间距可以小很多。
拉丝炉要针对软玻璃或氟化物玻璃进行 te 殊 设计，而直径测量、涂敷杯、紫外灯等部分则和石英拉丝塔相同，但拉丝速度、温度和紫外光功率需要不同的设置。下图展示了典型的软玻璃拉丝塔结构，包含微米精度的位移平台、拉丝炉、亚微米精度的光纤直径测量仪、涂敷杯、同心度测量仪和紫外灯等。所有部件都通过计算机控制。
软玻璃拉丝塔的结构
Thorlabs拉丝塔 空间站氟化物光纤制造 来源: Made In Space
氟化物玻璃预制棒远小于石英预制棒，直径在8到16毫米，长度在100到150毫米。预制棒有多种制作方法。zui 简单 的方法是把包层玻璃倒进预热的垂直模具中，几秒后打开底部让未固化的玻璃流出，由此形成包层管，随后把纤芯玻璃倒入包层管中。这种预制棒能拉制出衰减性能优异且羟基含量很低的光纤。它的主要优点是包层纤芯界面不会暴露在实验室空气中，而缺点是产生锥形芯。这种方法无法用于生产单模光纤，事实上很难制作纤芯包层比为0.072的预制棒，这个比例为9/125单模光纤的纤芯包层比。
另一种方法是旋转浇铸法。它以3500到5000 rpm的转速制作包层管，然后倒入纤芯玻璃。这种方法可显著降低或 xiao 除 锥形芯的问题，但机械稳定性变得非常关键，因为任何的模具振动都会导致偏心问题。这种方法也能用于制作单模光纤预制棒。
第三种方法是直接把纤芯棒插入包层管。这时纤芯包层界面会暴露在实验室环境中，因此要小心防止污染，特别是水污染。插入步骤也很关键，需注意不可刮伤内表面。这种方法也能用于制作单模光纤预制棒。
氟化物光纤的总衰减包含外在和内在两个来源。外在损耗可能是吸收或散射，其成因在于玻璃杂质，比如过渡金属、稀土元素、水、微泡、晶粒、复杂的阴离子、溶解气体和纤芯包层界面缺陷。内在损耗的成因是材料基质的吸收和散射，包括紫外吸收、瑞利散射和多声子吸收。内在损耗可用下式表达：
测量光纤衰减的方法一般是回截法；这在单模光纤研讨会中有过详细介绍。下面是Thorlabs氟化锆和氟化铟与石英多模光纤的衰减对比，两条虚线分别表示1 m光纤透过率大于90%和99%的参考线。氟化锆和氟化铟的高透过率波长范围分别是285 nm到4.5 µm和310 nm到5.5 µm；后者因此声子能量更低所以范围更宽。
自从引入氟化物光纤生产线以来，Thorlabs不仅显著降低了光纤损耗，还 ji 大 地提高了光纤的机械强度和几何参数控制水平，实现更一致的光纤直径和同心度。也许 zui 重要 的是，我们现在能批量生产氟化物光纤，每年供应几千米。
参考文献
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