[發明專利]一種紅外非線性硫系玻璃材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202210548127.1
• 申請日: 2022-05-17
• 公開（公告）號: CN115124238A
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 胡皓楠;周勁峰
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C03C3/076
• 分類號: C03C3/076
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種紅外非線性硫系玻璃材料及其制備方法，屬于非線性光學材料領域?；瘜W組分為Ge_xGa₄S_96?x，摩爾百分比x的取值范圍是22.5?33.5。由熔融?淬冷法制成，將高純度原料單質按照玻璃組分配比混合，裝入石英玻璃管管中抽真空熔融，緊接著將石英管放入退火爐中退火釋放內部殘留熱應力，最終得到制備材料。本發明的硫系玻璃具有紅外透射波段較寬，高透射率，良好的化學穩定性和熱穩定性，較高的三階非線性折射率和較低的非線性吸收系數，是良好的紅外非線性材料。在硫系光纖和波導等非線性器件的制備中將會發揮較好的應用價值。

技術領域

本發明屬于非線性光學材料領域。涉及一種紅外透射性好，具有良好三階非線性光學特性的硫系玻璃材料。

背景技術

硫系玻璃是一類由硫族元素(硫、硒、碲)和其他金屬或非金屬元素組成的玻璃材料。與普通石英玻璃相比，硫系玻璃具有超長的紅外透射波段和超高的非線性折射率，在紅外非線性領域收到廣泛關注。由于其在光學非線性上的特性和高響應速度，被廣泛應用于超連續譜產生，集成光學器件制備，全波長轉換和全光開關領域。對于光學非線性材料而言，最重要的光學指標是其線性折射率、非線性折射率和非線性吸收系數。線性折射率與非線性折射率代表了材料對光線的限制能力，一般而言二者相關。對于光學非線性材料來說，我們要求其線性折射率和非線性折射率足夠大，非線性吸收系數足夠小。這有利于減小器件尺寸，集成光路，同時其非線性效應較為明顯且光線損耗較低。

目前對于高非線性硫系玻璃材料的研究主要集中于Ge/As元素和硫族元素構成的多元玻璃體系上。As元素毒性較大，出于對環境的考慮，目前較多的研究集在用Ge元素替代As元素加入玻璃中。本發明以Ge-S硫系玻璃體系為基礎，旨在尋找一種具有良好光學非線性特性同時非線性損耗較低的硫系玻璃材料。

發明內容

本發明所要解決的具體問題是，以Ge-S玻璃體系為基礎，制備一種具有良好光學特性，低非線性損耗的光學非線性材料，以應用于非線性器件的制備之中。該材料應具有較高線性折射率和非線性折射率，以及較低的非線性吸收。為了實現以上目標，本發明在Ge-S玻璃中加入Ga元素，開發了一種硫系玻璃材料及其制備方法，其化學組分為Ge_xGa₄S_96-x，摩爾百分比x的取值范圍是22.5-33.5。

本發明中硫系玻璃材料的制備為熔融-淬冷法，具體方法步驟如下：

(1)在手套箱中按配比稱量將所需的Ge、Ga、S單質原料并混合均勻，然后裝入預處理好的石英管中；將原料抽真空后加熱除去水分，然后二次抽真空達到10^-4～10^-6Pa，然后將石英管封閉密封；

(2)將封裝好的石英管放入加熱爐中，加熱到700-950℃，熔融14-18小時，而后降至出爐溫度取出，放入水中淬冷，待石英管中玻璃出現脫壁現象后從水中取出，得到玻璃半成品；

(3)將步驟(2)淬冷后的含有玻璃半成品的石英管進行退火，釋放材料的內部熱應力，退火溫度為180-220℃，退火時間為8-10小時，退火結束后得到Ge-Ga-S玻璃材料成品。所述Ge、Ga、S單質純度為99.999％。