金属毛细管二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤及制备的制作方法

本发明涉及光电子材料和器件领域，尤其涉及一种金属毛细管二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤及制备方法。

背景技术：

红外光包括近红外光(波长0.75～2.5μm)、中红外光(波长2.5～25μm)和远红外光(波长25～300μm)。由于中红外光和远红外光光子的能量分别与分子的基频振动和转动相对应，其在分子结构分析以及中远红外气体激光器研究开发等领域有重要应用。中远红外光能激发窄禁带半导体产生光电流，是红外夜视以及空间遥感技术的基础。近年来，太赫兹(频率在0.1～10thz，波长3000～30μm范围内的电磁波)技术的兴起，赋予了远红外技术新的发展机遇和历史使命。中远红外光除了在物理、化学、天文学、生命科学等基础领域具有重大的科学研究价值之外，在室内短距离无线通信、卫星通信、医学成像、环境监测、射电天文和军用雷达等应用研究领域也具有广阔应用前景。由于缺乏有效的中远红外(尤其20-1000μm)波导传输技术，目前大多数光电系统都只能在自由空间中处理中远红外光波。这些系统占用空间大，功率消耗高、受环境影响大、性能稳定性差、使用校准难度大，严重限制了其应用和推广。研究有效的中远红外波导传输手段，已经成为搭建多功能、高可靠性、低能耗、易操作、易维护和易携带的新型“柔性化”光电器件的关键。

近年来人们提出了传输中远红外光的各种光纤结构，包括金属波导、玻璃或塑料毛细管/金属镀层/电介质膜空芯波导、塑料或硅介质空芯微结构带隙波导和塑料介质实芯、多孔或空芯管波导。这些波导有的结构复杂，难以调控制备；有的材质为玻璃或塑料，不容易与中远红外光源或探测器紧固连接，使用中对焦稳定性差。由于这些原因，如何研制出结构更简单、制备工艺更简便、与光源或探测器连接兼容性更好的中远红外光纤结构仍然是该领域国内外最为关注的热点问题之一。

为了克服现有技术中的这些缺陷，本发明在本课题组以前研究传输10.6μmco2激光中红外光纤的基础上，提出了一种能在波长大于20μm的中远红外光范围内也获得低损耗窗口的金属毛细管/二氧化锗电介质膜空芯光纤及其制作方法。该光纤包括金属毛细结构管及其内表面上的二氧化锗电解质反射膜。在传统的金属/电解质膜中远红外(太赫兹)光纤结构中，一般是使用玻璃或塑料毛细管作为结构管，再通过银镜反应在管内表面上制备金属银膜反射层，最后再在银膜表面形成聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯等聚合物电介质反射膜。本发明中使用金属毛细管代替传统的玻璃或塑料结构管，同时用金属毛细管的内表面直接代替传统金属镀银反射膜，结构更简单。用熔点更高的二氧化锗(1115℃)电介质膜代替聚合物电介质膜使中远红外光纤具有较高的能量损伤阀值，可用于大功率中远红外光波的传输。

技术实现要素：

本发明提出了一种金属毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：配制二氧化锗的碱性水溶液，并用酸调节所述二氧化锗的碱性水溶液的ph值至1-3；

步骤二：将所述二氧化锗的碱性水溶液注入金属毛细管中，封闭所述金属毛细管的两端，水平地放置在支架上并保持缓慢转动，转速为每分钟0.1-1转，在所述金属毛细管内液相沉积制备二氧化锗电介质膜；于5-8天后去除所述金属毛细管两端的封闭物，倒出所述二氧化锗的碱性水溶液；

步骤三：室温下向所述金属毛细管内吹入洁净的氮气或空气，流量每分钟60ml，持续时间60分钟；再在100℃下干燥60分钟，干燥期间持续通入洁净的氮气或空气，流量每分钟10ml；

步骤四：结束干燥，得到金属毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤。

本发明提出的所述金属毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤的制备方法中，步骤三之前重复进行步骤一至步骤二以增加二氧化锗电介质膜的厚度。

本发明提出的所述金属毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤的制备方法中，所述二氧化锗的碱性水溶液中二氧化锗的百分比浓度为3-7％。

本发明提出的所述金属毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤的制备方法中，其特征在于，所述金属毛细管经清洗，包括如下步骤：

步骤a：向所述金属毛细管内通入乙醇或丙酮，流量每分钟5ml，持续时间30分钟；

步骤b：向所述金属毛细管内通入去离子水，流量每分钟10ml，持续时间30分钟；

步骤c：向所述金属毛细管内吹入洁净的氮气或空气，流量每分钟60ml，持续时间30分钟。

本发明提出了一种所述制备方法制成的金属毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤，其特征在于，所述金属毛细管内具有所述二氧化锗电介质膜，空芯光纤的低损耗窗口位置可以通过改变氧化锗介质膜的厚度来调节，从而能够传输波长大于20μm的中远红外光。

本发明的有益效果在于：本发明中的空芯光纤，能在波长大于20μm的中远红外光范围内也获得低损耗窗口。本发明中使用金属毛细管代替传统的玻璃或塑料结构管，同时金属毛细管的内表面直接代替传统金属镀银反射膜，结构更简单。金属结构管良好的导热和散热性能以及二氧化锗无机电介质膜材料良好的耐热性能使所提出的中远红外光纤还具有传输高功率中远红外光波的潜力。本发明所提出的中远红外空芯光纤的以金属毛细管为主体结构，韧性好，机械强度高，能通过焊接或在金属毛细管一端的外表面上所开的螺纹丝口与中远红外光发生器以及探测器的相关金属部件稳固连接，提高设备运行的可靠性。

附图说明

图1为本发明金属毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤的结构示意图。

图2为实施例1中本发明镍铬毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤的损耗谱。

图3为实施例2中本发明不锈钢毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤的损耗谱。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

如图1所示，本发明的金属毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤用于实现中远红外光波的光纤传输，金属毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤包括金属毛细管1、电介质反射膜2与空芯区3。金属毛细管1构成中远红外空芯光纤的主体结构，二氧化锗电介质反射膜2覆盖在金属毛细管1的内壁上，空芯区3即为反射膜2在金属毛细管1内围成的空间。中远红外光波在金属毛细管1和二氧化锗电介质反射膜2以及和空芯区3的界面上形成反射，以空芯区3内部的空气或氮气作为介质实现光纤传输。

其中，金属毛细管1主要包括不锈钢毛细管、镍毛细管、镍铬毛细管、铜毛细管、铝毛细管、钛毛细管。金属制成的毛细管1和相同或近似几何尺寸的传统玻璃或塑料毛细管相比具有较高的断裂韧性和散热性能。电介质反射膜2为二氧化锗反射膜。

本发明利用室温液相沉积法制作金属毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤的方法中，使用的金属毛细管1可以是不锈钢毛细管、镍毛细管、镍铬毛细管、铜毛细管、铝毛细管、钛毛细管，基于金属材料机械强度、弯曲韧性、中远红外光波传输损耗以及制备工艺要求设计确定金属毛细管的空芯直径在1-5毫米，壁厚20-200微米，长度10-200厘米为佳。

本发明中对金属毛细管的清洗包括三个步骤及相应工艺参数：

步骤a：向金属毛细管内通入乙醇或丙酮，流量每分钟5ml，持续时间30分钟

步骤b：向金属毛细管内通入去离子水，流量每分钟10ml，持续时间30分钟

步骤c：向金属毛细管内吹入洁净的氮气或空气，流量每分钟60ml，持续时间30分钟

本发明中金属毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤制备包括以下三个步骤及相应工艺参数：

步骤一：配制二氧化锗的碱性水溶液，碱包括氨水、氢氧化钠或氢氧化钾，二氧化锗的重量百分比浓度3-7％，用酸调节二氧化锗的碱性水溶液的ph值至1-3。

步骤二：将二氧化锗的碱性水溶液注满清洗过的金属毛细管，将管两端封闭，水平放置在一支架上并保持缓慢转动，转速为每分钟0.1-1转，5-8天后去除金属毛细管两端封闭物，倒出溶液。

步骤三：室温下向管内吹入洁净的氮气或空气，流量每分钟60ml，持续时间60分钟。然后在100度干燥60分钟，其间持续通入洁净的氮气或空气，流量每分钟10ml。

可通过重复步骤一至二，制备具有不同厚度的二氧化锗电介质膜的厚度，以调节光纤低损耗窗口的位置，实现传输不同波长的中远红外光波。

实施例1

本具体实施例选用内直径1毫米，壁厚50微米，长度1.5米的镍铬毛细管作光纤的主体结构。依次用乙醇和水清洗镍铬毛细管后，将含二氧化锗质量百分比7％的锗酸根离子水溶液用硫酸调节ph值至2后注满镍铬毛细管，并将两端开口用热塑管封住后水平放置在转动支架上。

室温下(约20摄氏度)镍铬毛细管在0.1转/分钟的转速下液相沉积6天后倒出沉积液。

向沉积后的镍铬毛细管内通入洁净空气或氮气流，流量每分钟60ml，持续时间60分钟。然后在100度干燥60分钟，其间持续通入洁净的氮气，流量每分钟10ml，得到镍铬毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤。所制备的光纤二氧化锗电介质膜的厚度约为5微米，根据射线模型预测其损耗谱(1.4度发散角)如图2所示。其在中远红外光(约27-40μm，7-11thz)范围内有两个窄的衰减全反射低损耗窗口，在中远红外光(约40-200μm，1.5-7thz)范围有一个较宽的泄漏空芯波导低损耗窗口，这些低损耗窗口的损耗在0.25～0.56db/m。

实施例2

本具体实施例选用内直径2毫米，壁厚100微米，长度1米的不锈钢毛细管作光纤的主体结构。依次用乙醇和水清洗不锈钢毛细管后，将含二氧化锗质量百分比6％的锗酸根离子水溶液用硫酸调节ph值至2后注满不锈钢毛细管，并将两端开口用热塑管封住后水平放置在转动支架上。

不锈钢毛细管在0.3转每分钟的转速下室温液相沉积7天后，倒出沉积液，重新充入含二氧化锗质量百分比6％、ph值为2的锗酸根离子水溶液进行二次液相沉积，7天后倒出沉积液。

向沉积后的不锈钢毛细管内通入洁净氮气流，流量每分钟60ml，持续时间60分钟。然后在100度干燥60分钟，其间持续通入洁净的空气，流量每分钟10ml，得到不锈钢毛细管/二氧化锗电介质膜中远红外空芯光纤。所制备的光纤二氧化锗电介质膜的厚度约为10微米，根据射线模型预测其损耗谱(4度发散角)如图3所示。其在中远红外光(约27-40μm，7-11thz)范围内有两个窄的衰减全反射低损耗窗口，在中远红外光(约40-200μm，1.5-7thz)范围有两个分开的泄漏型空芯波导低损耗窗口，这些低损耗窗口的损耗在0.29～0.58db/m。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。