一種提高玻璃二階非線性係數的方法
2023-12-02 09:33:21
專利名稱：一種提高玻璃二階非線性係數的方法
技術領域：
本發明涉及光學玻璃領域，特別是涉及一種提高玻璃性能的新方法。
背景技術：
在全光網絡中，光開關及其陳列是核心技術之一，也是影響光網絡性能的主要因素之一。而光開關器件得以運行的先決條件是製備出性能優良的非線性光學材料，因此，非線性光學材料作為光電子技術中的關鍵材料已引起人們極大的興趣，研製高性能的具有較大非線性係數的光學材料是當前的前沿課題之一，成為各國學者研究的熱點，在非線性光學晶體、有機及有機無機複合非線性材料方面的研究，各國學者已經進行了深入研究，每年也有眾多論文發表，但在非晶態非線性光學材料方面，尤其是其非線性極化機理的探討，目前還有許多工作需要深入研究。
自從在玻璃中觀察到二次諧波產生這一奇怪現象後，及其玻璃本身所具有的一系列優良特性使得玻璃在光通信領域大顯身手，因為玻璃在大部分光譜範圍內高度透明，具有高的化學穩定性、熱穩定性和較高的三階非線性係數及快的響應時間等許多優良的特性，從而引起國內外許多專家的矚目。因此，玻璃也將是一種性能優良的非線性光學材料，將在集成光學、玻璃平面光波導及光開關等光電器件上具有廣闊的應用前景。各國學者也在玻璃的非線性光學特性方面展開了深入的研究，我國上海復旦大學、中科院上海光學精密機械研究所、北京大學、吉林大學、東南大學和武漢理工大學等單位在這方面也展開了許多研究工作，並取得了很好的結果。
對於玻璃而言，根據x(2)＝3x(3)EDC其中x(2)為玻璃的二階非線性係數，x(3)為玻璃的三階非線性係數，EDC為極化所形成的微區小電場值。要想提高玻璃的二階非線性係數x(2)，只有提高玻璃的三階非線性係數x(3)和極化所形成的微區小電場值EDC。目前各國研究者為提高玻璃的二階非線性係數，主要集中在通過各種手段，合成具有較大x(3)係數的玻璃體系，並採取不同的極化方法，以使玻璃具有較大的二階非線性係數；而對於通過提高玻璃極化所形成的微區小電場值EDC的性能，從而提高玻璃二階非線性係數的技術不多。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種提高玻璃二階非線性係數的新方法，該方法通過提高極化所形成的微區小電場值，從而為提高玻璃二階非線性係數提供了一種不同的思路。
本發明所採用的技術方案是，該方法的步驟包括
(1)利用電子束與玻璃相互作用過程中二次發射電子的產生及其變化特性，測得玻璃在外場作用下極化所形成微區小電場的方向、大小、穩定性、弛豫性；(2)由步驟(1)所得微區小電場的各項參數，計算其導致玻璃微結構形成和整體結構變化的情況，並同時測試玻璃的二階諧波性能；(3)建立步驟(2)所得玻璃微結構形成、整體結構變化的情況與玻璃的二次諧波大小的關係；(4)根據步驟(3)所得關係，建立步驟(1)中外場大小和玻璃二階非線性係數的關係曲線；(5)根據步驟(4)所得關係，通過準確調整外場大小來提高玻璃二階非線性係數。
本發明與現有技術相比，其主要優點是通過提高外場極化極化所形成的微區小電場值EDC，因此提高了玻璃的二階非線性係數x(2)，也就是說找到了提高玻璃的二次非線性係數的方法。同時，通過測試分析玻璃在外場極化條件下所形成的微區小電場的大小和性能，分析外場對玻璃結構及性能的影響，以及與玻璃二階非線性的關係驗證，找到了能夠極大地提高玻璃的二次非線性係數的外場極化條件，從而為製備高性能二階非線性光學玻璃開闢了新的途徑。
圖1是經過改裝的SEM-LEO 440測試設備結構示意圖。
圖2是室溫下H:Ge:SiO2薄膜的二次發射電子產生(δ)結果示意圖。
圖3是熱極化的H:Ge:SiO2薄膜的極化小電場方向。
圖4是摻有Ge的H:SiO2PEVCD薄膜的結構示意圖。
具體實施例方式
本發明提供了一種採用包括以下步驟的提高玻璃二階非線性係數的方法，即(1)利用電子束與玻璃相互作用過程中二次發射電子的產生及其變化特性，測得玻璃在外場作用下極化所形成微區小電場的包括方向、大小、穩定性和弛豫性的參數；(2)由步驟(1)所得微區小電場的各項參數，計算其導致玻璃微結構形成和整體結構變化的情況，並同時測試玻璃的二階諧波性能；(3)建立步驟(2)所得玻璃微結構形成、整體結構變化的情況與玻璃的二次諧波大小的關係；(4)根據步驟(3)所得關係，建立步驟(1)中外場大小和玻璃二階非線性係數的關係；(5)根據步驟(4)所得關係曲線，通過準確調整外場大小來提高玻璃二階非線性係數。
本發明還提供了一種測試步驟(1)中所述微區小電場參數的設備，其結構如圖1所示包括電子束髮生器EBBU、聚焦物鏡、電子收集器、樣品腔、信號放大器、示波器和電子束產生激活器；電子束產生激活器接至示波器的第一個輸入端，聚焦物鏡下端裝有電子收集器，電子收集器通過信號放大器接至示波器的第二個輸入端，顯示樣品由於電子束轟擊所產生的二次電子電荷量QSB；同時電子收集器有電子束孔，電子收集器下方是樣品腔，聚焦電子束通過電子束孔轟擊樣品產生二次電子的同時俘獲部分電子，這樣就在樣品腔上產生同等數量的誘導電子；樣品腔通過信號放大器接至示波器的第三個輸入端顯示誘導電子電荷量QSB。
電子收集器通過示波器可以直接讀出所收集到電子數目。圖1中QIC為誘導電子電荷量，QT為俘獲電子電荷量，QSB為產生的二次電子及背散射電子電荷量。
其中QIC＝-QT，Q0＝QSB+QIC，二次發射電子值δ(D，J)定義為(D,J)=QSBQ0=1-QICQ0]]>δ的大小與實驗中電荷量D(≥0.01pC)或電荷密度σ和電流密度J(≥10+3pA·cm-2)的大小有關。在不同的電子束流或電壓下，微區小電場將表現出不同的各種性能特徵，實驗中探測到的值也將不一樣，通過這些變化可以研究玻璃極化所形成微區小電場的特性，從而進行極化機理分析。
本發明測試設備的工作過程是如圖1所示，電子束髮生器產生的電子束A經電子束產生激活器激活後總電荷量為Q0，由示波器顯示其數目。被激活的電子束Q0經過聚焦物鏡(即圖1中所示的物鏡)聚焦後(即A』)直接轟擊到樣品上產生二次電子，其電量為QSB；同時在電子束轟擊樣品的同時部分電子被樣品俘獲，其電量為QT；由於這些俘獲電子的作用在樣品腔的電子收集器上產生誘導電子，其電荷量為QIC。其中QIC和QT數量相等，符號相反。二次電子和誘導電子被信號放大器放大後分別送入示波器顯示其數量。這樣，根據示波器所示三種電荷量和δ(D，J)計算公式算出δ大小。
本發明提供的提高玻璃二階非線性係數，其在製備高性能二階非線性光學玻璃中的應用。例如在氧化物玻璃及非氧化物玻璃等高二階非線性光學係數玻璃中的應用。
下面結合具體應用實施例對本發明作進一步說明，但不限定本發明。
實施例摻Ge的H:SiO2PEVCD薄膜，其結構為1.1μm的摻Ge的SiO2層鍍在SiO2襯底上，中間有一層1μm的SiO2過渡層(見圖4)，薄膜具體成分為76±1mol％SiO2，23±1mol％GeO2，1.5±0.5mol％O2及少量ppm H2。薄膜在極化前沒有經過任何退火處理，在兩端面上鍍上～1.2μm的Al電極進行熱極化，具體的極化條件為極化直流電壓-30V～-100V，極化時間15min，極化溫度375℃。樣品極化後採用H3PO4在75℃溫度下浸泡20min去掉Al電極再進行二次發射電子測試。二次發射電子產生測試結果如圖2所示，其中電子束能量E＝5keV，入射深度530nm，圖2a小入射電子束劑量＜1.2106pC/cm2，圖2b大電子束入射劑量2.5108pC/cm2。極化小電場方向如圖3所示。
權利要求
1.一種提高玻璃二階非線性係數的方法，其特徵是採用包括以下步驟的方法(1)利用電子束與玻璃相互作用過程中二次發射電子的產生及其變化特性，測得玻璃在外場作用下極化所形成微區小電場的包括方向、大小、穩定性和弛豫性的參數；(2)山步驟(1)所得微區小電場的各項參數，計算其導致玻璃微結構形成和整體結構變化的情況，並同時測試玻璃的二階諧波性能；(3)建立步驟(2)所得玻璃微結構形成、整體結構變化的情況與玻璃的二次諧波大小的關係；(4)根據步驟(3)所得關係，建立步驟(1)中外場大小和玻璃二階非線性係數的關係；(5)根據步驟(4)所得關係曲線，通過準確調整外場大小來提高玻璃二階非線性係數。
2.根據權利要求1所述的提高玻璃二階非線性係數的方法，其特徵在於步驟(1)中，測試微區小電場參數的設備的結構是包括電子束髮生器EBBU、聚焦物鏡、電子收集器、樣品腔、信號放大器、示波器和電子束產生激活器；電子束產生激活器接至示波器的第一個輸入端，聚焦物鏡下端裝有電子收集器，電子收集器通過信號放大器接至示波器的第二個輸入端，顯示樣品由於電子束轟擊所產生的二次電子電荷量QSB；同時電子收集器有電子束孔，電子收集器下方是樣品腔，聚焦電子束通過電子束孔轟擊樣品產生二次電子的同時俘獲部分電子，這樣就在樣品腔上產生同等數量的誘導電子；樣品腔通過信號放大器接至示波器的第三個輸入端顯示誘導電子電荷量QSB。
3.根據權利要求2所述的提高玻璃二階非線性係數的方法，其特徵在於根據測量不同的電子數目計算出二次發射電子大小δ(D，J)的公式為(D,J)=QSBQ0=1-QICQ0]]>其中Q1C為誘導電子電荷量，Q1為俘獲電子電荷量，QSB為產生的二次電子及背散射電子電荷量，Q1C＝-Q1,Q0＝QSB+Q1C。
4.一種提高玻璃二階非線性係數的方法，其在製備二階非線性光學玻璃中的應用。
5.根據權利要求4所述的應用，其特徵在於所述的二階非線性光學玻璃是指氧化物玻璃及非氧化物玻璃。
全文摘要
本發明提供了提高玻璃二階非線性係數的方法，即先利用電子束與玻璃相互作用過程中二次發射電子的產生及其變化特性，測得玻璃在外場作用下極化所形成微區小電場的參數；再計算其導致玻璃微結構形成和整體結構變化的情況，同時測試和建立玻璃的二次諧波的大小和關係曲線，然後通過調整外場大小來提高玻璃的二階非線性係數χ
文檔編號C03C23/00GK101092290SQ20071005208
公開日2007年12月26日 申請日期2007年4月30日 優先權日2007年4月30日
發明者劉啟明 申請人:武漢理工大學