光学材料制备方法

化学法在新型无机材料中的应用

—光学材料光学材料概述光学材料是传输光线的材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求和路径传输，也可吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。与有机光学材料相比，无机光学材料则有高硬度、高模量和高温使用极限高等优点，但不易加工成型。因而如果新型光学材料的开发仅单方面局限于有机材料或无机材料，则难以克服其存在的缺点来完全满足光电子领域的要求。sol-gel法sol-gel过程指无机凝胶前体（主要是金属醇盐）的水解及水解产物继而缩聚形成无机氧化物的湿化学过程，包括体系混合过程、凝胶化过程、陈化过程及干燥过程。随着纳米科学的产生和发展，sol-gel法在制备有机和无机纳米复合材料方面引起了人们的极大兴趣，因为这种方法不仅可望通过溶液“分子级”水平的混合制备兼具有机、无机优异性能的复合材料，而且还可以在低温下制备出块状、薄膜、纤维、超细粉和微孔材料，这些特点使得sol-gel技术在光学材料的制备方面显示出强大的优势，是目前开发新型多功能光学材料的有效途径。sol-gel制备有机、无机光学复合材料即将无机前体溶液、有机组分（小分子、低聚物或高聚物）与水混合，调节一定的温度，在酸性或碱性条件下水解缩聚形成溶胶，随时间的增长溶胶逐渐转化为凝胶，然后陈化一段时间，进一步交联，增强凝胶强度，避免凝胶在干燥时破裂，最后干燥除去溶剂及生成的水、醇。工艺过程溶胶-凝胶的基本过程应用光致变色材料光致变色材料是一种通过吸收光子能量，变色分子结构发生变化，产生可逆光诱导变色的材料。光致变色材料主要应用于光学开关、光能转换膜及护眼镜片等。将光致变色染料接枝到无机骨架上，可以避免染料的凝聚，有利于提高染料的含量、增加发色强度。但染料分子与基体之间的作用力增大，使染料分子运动能力和褪色速率降低，需通过调节染料分子与基体之间的空间距离，达到调节光致变色反应速率的目的。光化学传感材料光化学传感材料主要是利用材料中的有机分子与被测分子接触时发生结构变化，检测光信号也随之改变以实现检测的目的。一般要求传感分子的响应时间短、有机传感分子的结构变化可逆、寿命长，并具有较好的耐化学品性能。用作化学传感材料的溶胶-凝胶基体中包埋有有机传感分子，待测的小分子扩散进入硅胶基体中与有机传感分子反应产生化学光信息转化后输至检测器。稀土发光材料近年来，稀土离子络合物因其发射光量子收率高，衰退时间长和发射谱段窄等特点而用作生物标签。稀土离子掺杂玻璃器件具有广泛用途：如0价稀土离子sol-gel掺杂玻璃，有希望用于激光材料和传输过程中的放大器。在制备稀土荧光材料时溶胶-凝胶基体成为极具潜在使用价值的载体材料。由于室温下溶胶-凝胶法制备的基体中含有大量的羟基，对稀土离子如Nd3+的光发射有猝灭作用，应设法降低基体中的羟基含量或将稀土离子进行保护。CVD法制备光纤材料低损耗的单模和多模石英光纤大多采用“预制棒拉丝工艺”，光纤预制棒工艺是光纤光缆制造中最重要的环节。目前，用于制备光纤预制棒的方法主要采用以下四种方法：外部气相沉积法（OVD）；气相轴向沉积法（VAD）；等离子体化学气相沉积法（PCVD）；改进化学气相沉积法（MCVD）。光纤

石英光纤的制备过程原料制备原料提纯制棒拉丝涂敷筛选合格光纤纯度分析质量控制性能测量OVD法

又为“管外气相氧化法”或“粉尘法”，其原料在氢氧焰中水解生成SiO2微粉，然后经喷灯喷出，沉积在由石英石墨制成的基棒外表面，经过多次沉积，去掉母棒，再将中空的预制棒在高温下脱水，烧结成透明的实心玻璃棒，即为光纤预制棒。OVD法示意图VAD法

日本1977年开发出来的，其工作原理与OVD相同，不同之处在于它不是在母棒的外表面沉积，而是在其端部（轴向）沉积。VAD的重要特点是可以连续生产，适合制造大型预制棒，从而可以拉制较长的连续光纤。MCVD法

采用的SiCl4、GeCl4等液态原材料在高温下发生氧化反

应生成SiO2、B2O3、GeO2、P2O5微粉，沉积在石英反应管的内壁上。在沉积过程中需要精密地控制掺杂剂的流量，从而获得所设计的折射率分布。MCVD法示意图PCVD法

它与MCVD的工作原理基本相同，只是不用氢氧焰进行管外加热，而是改用微波腔体产生的等离子体加热。PCVD工艺的沉积温度低于MCVD工艺的沉积温度，因此反应管不易变形；微波加热腔体可以沿着反应管轴向作快速往复移动，目前的移动速度在8m/min，这允许在管内沉积数千个薄层，从而使每层的沉积厚度减小，因此折射率分布的控制更为精确，可以获得更宽的带宽。而