? 基于環保型Ge20Sb15Se65硫系玻璃的高性能聲光調制器 - 硫系玻璃 | 寧波大學紅外材料及器件實驗室
研究進展
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基于環保型Ge20Sb15Se65硫系玻璃的高性能聲光調制器
作者: irglass 時間: 2021-10-14 瀏覽:1,855 次

       近日,我室碩士研究生丁勝杰(第一作者)和戴世勛研究員(通訊作者)在Ceramics International期刊上發表了題為“High-performance acousto-optic modulator based on environmentally favorable Ge20Sb15Se65 chalcogenide glass”的論文(Ceramics International.2021, 47 (21),30343-30348. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.07.214)。

       近年來,以激光為載體的光調制技術被大量研究。其中,聲光調制器(AOM)由于結構簡單,調制效果好,已經在工農業等信號處理領域得到廣泛的應用。作為典型的聲光(AO)材料之一,硫系玻璃因其極高的聲光品質因數(M2值)、超寬的透過窗口、優良的熱力學穩定性、各向同性以及易于加工、價格低等諸多優點使得其在聲光器件制備中極具優勢。然而,傳統的硫系玻璃如As2S3、As2Se3相對較低的玻璃轉變溫度(分別為Tg = 185°C和Tg = 178°C)限制了其作為商用聲光器件的應用,而高Tg(Tg = 561°C)的Ga-La-S硫系玻璃又由于相對較小的折射率和較高的聲速使得其M2值較低(M2 = 19 × 10-15 s3/kg),最終導致其制備的聲光調制器在1.2 W 的高驅動功率下,僅獲得40%的衍射效率。此外,美國的Amorphous公司生產的型號為AMTIR-1 (Ge33As12Se55)硫系玻璃已經被證明具有優異的聲光性能,且IntraAction公司使用該組分玻璃制備的AOM已經對外商業出售,但正如同樣很有應用前景的AO硫系玻璃As2S3、As2Se3一樣,這類玻璃組分含有毒元素砷(As),因此在玻璃樣品的制備、加工和性能測試過程中存在安全隱患,特別是當此類調制器工作在高激光功率下, AO介質可能會受熱蒸發氣化,而這些氣化的氣體對人的健康極為有害。相比之下,環保型Ge-Sb-Se硫系玻璃體系由于采用同主族銻(Sb)取代了高毒性的As而更適用于AO介質。該玻璃體系同樣具有硫系玻璃的上述優點,且已在紅外傳感、紅外成像、能量傳輸、非線性光學等集成光電子領域表現出廣闊的應用前景。然而,對Ge-Sb-Se硫系玻璃的AO性能研究還未見報道。本文選擇了一款常用于波導和光纖光學設計的Ge20Sb15Se65玻璃組分用于制備AOM,測量了該玻璃的結構、熱力學、光學和AO特性。結果表明,Ge20Sb15Se65玻璃具有寬的紅外透過窗口、高的玻璃轉變溫度和機械強度。特別是其超高的M2值(M2 = 407 × 10-15 s3/kg)約為熔融石英玻璃的270倍,使得其在AO器件的設計中極具吸引力。文章介紹了采用Ge20Sb15Se65玻璃作為AO材料制備AOM的原理,并在控制1550 nm激光束和超高聲頻160 MHz和極低的驅動功率0.25 W的條件下獲得了高衍射效率的73.4%。據我們所知,本文是Ge-Sb-Se硫系玻璃AOM的初步試驗結果的首次報道。該設計填補了Ge-Sb-Se硫系玻璃在AO器件中的應用空白,為將來AOM的商業應用提供了有價值的參考。

1: (a)Ge20Sb15Se65聲光調制器的結構原理圖 (b) Ge20Sb15Se65聲光調制器的產品實物圖

2: (a)衍射效率隨射頻功率的變化 (b) 衍射偏轉角隨射頻頻率的變化。

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