低折射率透紫外的光学玻璃及其制备方法和应用与流程

本发明涉及光学光纤，具体涉及低折射率透紫外的光学玻璃及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在光纤传感应用中，光纤纤芯在紫外激光辐照或飞秒激光照射等技术的作用下，光纤纤芯折射率呈周期性变化，形成光栅，能够反射某一特定波长的光，能够用来测量加速度、压力、应变、温度等物理量。为了使足够多的光进入光纤，加强反射光信号的强度，提高传感测量精度，要求光纤具有较大的集光能力，更加准确地测量物理参量。

2、在光纤中，数值孔径描述了光进出光纤时的锥角大小，是衡量光纤端面接收光能力的参数，数值孔径的计算公式如下

3、

4、式中，n1表示纤芯折射率，n2表示包层折射率，α表示临界角，即超过临界角的光进入光纤后反生折射，最终逃逸出光纤，称为包层泄露光，造成光信号的损失，特别是经光栅反射的光信号在光纤中传输时，容易造成传感信号损耗，不利于传感测量。大数值孔径光纤能够耦合大部分光，同时避免反射光信号发生泄漏，可以有效避免这一问题。此外，在光纤光栅刻写过程中，包层玻璃容易吸收紫外光，降低了刻写效率。如何提升光纤的数值孔径、提高紫外刻写效率是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于，提供一种降低光学玻璃的折射率、提高光学玻璃的透紫外性能的低折射率透紫外的光学玻璃。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种低折射率透紫外的光学玻璃，以质量百分含量计，其包括：37～41％sio2，4～7％ b2o3，16～26％ bef2，5-9％ naf，5-10％ kf，5-10％ p2o5，3～4％k2o，2～4％ na2o，2-5％ li2o，2～5％ al2o3，≤0.7％其他组分。

4、进一步地，还包括sb2o3和/或as2o3；sb2o3和as2o的含量之和为0.2-0.7％。

5、所述低折射率透紫外的光学玻璃的折射率为1.430～1.453；200-300nm波段紫外透过率为80～95％；平均色散系数为60～65；线膨胀系数为80×10-7/℃～90×10-7/℃；玻璃转变温度为600～700℃；玻璃驰垂温度为700～750℃；玻璃软化点为750～800℃，弹性模量e为61～64gpa。

6、本发明还提供一种所述的低折射率透紫外的光学玻璃的制备方法，其包括以下步骤：

7、1)按配方比例称量原料，混合均匀，得到混合料；所述原料包括：37～41％sio2，4～7％ b2o3，16～26％ bef2，5-9％ naf，5-10％ kf，5-10％ p2o5，3～4％k2o，2～4％ na2o，2-5％ li2o，2～5％ al2o3，≤0.7％其他组分；

8、2)将混合料加入坩埚中，于1000～1300℃下进行熔化，澄清，浇注，得到低折射率透紫外的光学玻璃。

9、本发明又提供一种包括所述的低折射率透紫外的光学玻璃的光纤，其包括：

10、包层玻璃管，其材质为所述的低折射率透紫外的光学玻璃；所述包层玻璃管在200～300nm波段光谱透过率为80-95％；和，

11、纤芯玻璃棒，其材质为具有高光敏性低弹性模量的光学玻璃，其折射率为1.515～1.550，光敏性为5×10-3～10×10-3，弹性模量为60～70gpa，200～300nm光谱透过率≤20％，平均色散系数为60～65；线膨胀系数为80×10-7/℃～90×10-7/℃；玻璃转变温度为550～700℃；玻璃驰垂温度为750～800℃；玻璃软化点为800～850℃。

12、本发明再提供一种所述的光纤的制备方法，包括以下步骤：

13、1)以所述的低折射率透紫外的光学玻璃制备包层玻璃管，以高光敏性低弹性模量的光学玻璃制备纤芯玻璃棒；

14、2)将所述包层玻璃管和纤芯玻璃棒垂直浸没在50～70℃温度质量浓度为99％的无水乙醇中，用20khz超声波清洗3次；

15、3)将所述包层玻璃管套在所述纤芯玻璃棒中，组装成光纤预制棒，在700-800℃拉制，得到光纤。

16、所述光纤的数值孔径为0.5～0.6，光纤损耗在0.4～0.8db/m。

17、本发明还提供一种使用所述光纤制备光纤光栅的方法，其包括以下步骤：

18、1)将掩膜板放置在所述光纤的上方；

19、2)使用紫外激光或飞秒激光照射所述光纤，其中，激光透过所述包层玻璃管辐照所述纤芯玻璃棒，使其纤芯玻璃棒折射率呈周期性变化，得到光纤光栅。

20、本发明再提供一种所述的低折射率透紫外的光学玻璃在光纤传感、光纤激光、光纤通信、光纤传像技术领域的应用。

21、在本发明的上述技术方案中，sio2是玻璃形成骨架的主体，是玻璃骨架中起主要作用的成分。以质量百分比计，sio2含量37～41％，其有利于降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、软化温度、耐热性、硬度和机械强度等；但是，当sio2含量高于41％时，其折射率较大，不能满足低折射率要求。本发明严格限定所述sio2的含量为37～41％。

22、b2o3是玻璃形成氧化物，也是构成玻璃骨架的成分，同时又是一种降低玻璃熔制黏度的助溶剂。在本发明中，b2o3还起到降低色散和折射率的关键作用。硼氧三面体[bo3]和硼氧四面体[bo4]为结构组元，在不同条件下硼可能以三面体[bo3]或硼氧四面体[bo4]存在，在高温熔制条件时，一般难以形成硼氧四面体，而只能以三面体的方式存在，但在紫外辐照作用下容易发生结构上的变化；在低温熔制时，在一定条件下b3+有夺取游离氧形成四面体的趋势，使其结构紧密而提高玻璃的低温粘度，同时在紫外辐照下不易发生结构上的变化。为了降低玻璃色散、提高化学稳定性和热稳定性，对于b2o3在玻璃中存在形式有着严格要求。根据实验研究发现，以质量百分比计，低折射率透紫外光学玻璃熔制过程中，本发明严格限定b2o3的含量为4～7％。

23、bef2、naf、kf在玻璃中的作用是降低折射率，实现低折射率玻璃制备。其中，bef2是以四面体[bef2]的形式存在与玻璃网络结构体中，类似于sio2结构空间排列，在硅酸盐玻璃中与sio2一起构成玻璃网络体结构；naf、kf主要以小分子的形式填充玻璃网络体结构空隙，提高玻璃的强度，同时起到降低折射率、降低色散系数的作用。根据实验研究发现，以质量百分比计，低折射率透紫外光学玻璃熔制过程中，本发明严格限定bef2的含量为16～26％，naf的含量为5-9％，kf的含量为5-10％。

24、玻璃的紫外透过率与氧离子核外电子吸收光子发生激发有关，而电子吸收光子的能力与氧离子和阳离子之间的化学键的特性有关，为了提高玻璃的紫外透过率，通过调整组分，改变化学键，减少这种吸收。在前述玻璃中，结构中的桥氧键的数量是影响样品紫外透过率的主要因素。由于硅酸盐玻璃的紫外透过率低，研究表明在磷酸盐玻璃中引入r2o，能够修补[po4]和[bo3]的断裂点，将[bo3]三角形层状结构转变为[bo4]四面体结构，使得网络连接加强，桥氧数量增加，非桥氧数量减少，玻璃紫外的本征吸收向短波方向移动，能够提高紫外透过率。所以在硅酸盐玻璃体系的基础上引入p2o5，与sio2共同构成玻璃的网络结构，形成更多的桥氧键，从而提高紫外透过率。根据实验研究发现，以质量百分比计，本发明严格限定的p2o5的含量为5-10％。

25、k2o和na2o同为碱金属氧化物，在玻璃结构中作为网络外体存在，使玻璃结构松弛，弹性模量降低，此外，碱金属氧化物对于调节玻璃转变温度、膨胀系数、软化温度等热学性能具有重要作用。实验研究表明，玻璃中含有3～4％的k2o，2～4％的na2o，能够达到本发明实施例中的各项性能。

26、li2o在玻璃中以网络外体的形式存在，li+主要起积聚作用，其引入主要是为了提高所述玻璃的化学稳定性、表面张力等。根据实验研究发现，以质量百分比计，本发明严格限定li2o的含量为2-5％。

27、al2o3在硅磷酸盐玻璃中具有特殊的作用，引入一定量的al2o3，在玻璃体系中以alpo4基团的形式存在，是磷酸盐以层状结构为架状结构，能够改善玻璃的化学稳定性，同时有利于填充碱金属离子，提高玻璃材料强度，降低弹性模量。根据实验研究发现，以质量百分比计，本发明严格限定al2o3的含量为2～5％。

28、借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

29、为了提升光纤的数值孔径，一种方法是提高光纤纤芯的折射率，另一种方法是降低包层的折射率，本发明考虑到光纤纤芯材料与光敏性、杨氏模量等参数密切相关，折射率调节范围有限，本发明主要采用降低包层的折射率的方法提升数值孔径。此外，在刻写光栅的过程中，光纤的包层部分具有较高的透紫外的性能，保证纤芯吸收大部分紫外光，从而提高紫外刻栅效率。本发明用作包层的光学玻璃具有较低的折射率、较高的透紫外性能。

30、采用具有高光敏性低弹性模量的光学玻璃作为纤芯玻璃，通过增加纤芯玻璃紫外低透过率，与提高刻栅效率相对应，紫外光透过包层玻璃，被纤芯玻璃高效吸收，从而提高紫外刻栅效率。

31、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。