一项关于钾离子交换硼硅酸盐玻璃光弹性的研究，采用了回音廊模式共振技术

《Optical Materials》：A study on the photo-elasticity of potassium ion-exchanged borosilicate glass, using whispering gallery mode resonation

K+离子交换调控硼硅酸盐玻璃光电弹性特性研究，采用 whispering gallery 模共振技术分析1.5μm波长下离子交换时长对Pockels系数的影响，发现11h离子交换使p11和p12分别降低22%和18.7%，超过22h后系数恢复。研究结合力学性能测试和分子极化理论，揭示离子交换通过K+取代Na+改变玻璃网络结构和极化率，实现光弹性可调。

　　

Nikolas Kokkinidis|Polyxeni Giouni|Vasileios Sarakatsianos|Nikolaos Korakas|Stavros Pissadakis

电子结构与激光研究所（IESL），希腊研究与技术基金会（FORTH），N. Plastira 100，赫拉克利翁 70013，希腊

摘要

本文研究了钾离子（K⁺）交换对硼硅酸盐玻璃纤维光弹性性能（如Pockels系数所体现的）的影响，采用了1.5μm波长范围内的耳语走廊模式（whispering gallery mode）共振技术。对圆柱形硼硅酸盐玻璃光纤中测量的偏振分辨耳语走廊模式共振的光谱位移结果进行了实验研究和数值模拟，以监测引入的应变引起的TE/TM双折射，并估算相应的Pockels系数。实验结果很好地预测了原始硼硅酸盐玻璃的Pockels系数（p₁₁= 0.119±0.008 和 p₁₂=0.2120±0.014），同时也揭示了经过11小时离子交换后上述p_1i系数下降了约22%；更长的离子交换时间可使Pockels系数恢复到更高的值。在讨论这些结果时，考虑了Pockels系数的物理起源，特别是与K⁺离子的玻璃配位和分子极化率之间的关系；这些结果也与离子交换后的平面样品的杨氏模量测量结果一致。研究表明，K⁺离子交换工艺可以作为一种有效的方法来调节玻璃材料的光弹性。

引言

描述透明玻璃基本结构的一个重要物理量是光弹性，它关联了在单轴应变作用下光学基质中产生的双折射（1）。研究玻璃的光弹性可以提供有关其宏观折射特性与其机械常数（杨氏模量和泊松比）及微观配位结构的洞察信息，从而有助于理解其分子折射率（2）。硼硅酸盐玻璃是一种具有高光学透明度和低热膨胀系数的主要玻璃成分（3），其不同的组成类型（例如Duran、BK7）在多模光纤、波导基板和化学实验室玻璃器皿中具有广泛的应用。某些超硬硼硅酸盐玻璃（如Willow Glass）目前以薄片的形式用于可折叠/弯曲智能手机的盖玻片、笔记本电脑屏幕和柔性光伏器件中（4）。预计光弹性将在可弯曲和柔性光子及光电子器件的发展中发挥重要作用（5），因为这些器件在受到机械应力作用时，其折射特性会受到影响。

在此研究中，我们利用圆柱形玻璃腔中的耳语走廊模式共振来研究钾离子交换对硼硅酸盐玻璃光弹性性能的影响。先前的研究已经证实，耳语走廊模式（WGM）共振是一种强大的光循环技术，可用于量化硼硅酸盐玻璃光纤圆柱腔中由应变引起的双折射（7, 8, 9）。因此，WGM共振被应用于研究微观尺度上发生结构变化的光学材料的光弹性，同时探测小光学体积内的光弹性行为（8）。

钾离子交换工艺在硼硅酸盐玻璃中的应用已被广泛研究，用于开发光波导（10, 11, 12），其背后的物理原理和工程原理也得到了详细探讨（13）。离子交换工艺（14），特别是钾（K⁺）离子交换（15），也被用作表面硬化方法（16），用于制造Gorilla、Corning等品牌的特殊耐用玻璃。因此，研究离子交换玻璃的光弹性可以引发学术界和工业界的极大兴趣。离子交换玻璃的光弹性行为与其原始状态相比可能有显著差异，尤其是在刻有光栅（18）的情况下，这种差异会影响其在柔性薄玻璃波导中的性能，因为光栅会引起应变诱导的双折射（17）。离子交换玻璃的光弹性在其他潜在应用领域也很重要，例如便携设备屏幕保护器或平视显示器护目镜；在这些应用中，机械变形可能会影响图像质量和每个偏振分量的对比度。

在本手稿中，我们利用WGM共振在受控纵向应变作用下，估算了原始硼硅酸盐玻璃和钾离子交换后的硼硅酸盐玻璃光纤腔的Pockels系数p_1i和p₄₄。所得结果与其他关于多组分硼硅酸盐玻璃光弹性的研究（2）以及离子交换过程引起的结构变化进行了进一步讨论，并考虑了Pockels系数物理起源的广义理论（1, 2, 19）。为了进一步验证WGM结果的物理起源和工程原理，我们使用Knoop硬度测量方法研究了具有与WGM腔包层相似化学计量的标准（Borofloat?）玻璃的杨氏模量变化。这些玻璃片是在与光纤腔相同的条件下进行离子交换的。我们的实验研究表明，K⁺离子交换工艺可以根据具体的处理条件显著改变硼硅酸盐基体的光弹性行为。

实验部分

实验

实验中使用了美国Fiberoptics Technology Inc.公司生产的硼硅酸盐玻璃光纤作为WGM腔。这些光纤的总直径约为78 μm，芯径约为70 μm（见图1a），数值孔径NA=0.66。制造商提供的包层折射率（特定WGM共振发生的位置）为$$（适用于可见光波长）；该值通过相位对比显微镜测量得到了验证。

结果与讨论

图2展示了K⁺离子交换前后硼硅酸盐玻璃WGM腔的TE和TM偏振传输光谱。原始腔体的典型Q因子约为3.2x10⁴（TE偏振）；经过22小时离子交换后的硼硅酸盐玻璃腔的Q因子上升至最大值约5.3x10⁴。模态分配是通过标准的WGM圆柱腔公式（23）和有限元方法（24）进行的。

总结

总之，我们通过圆柱形硼硅酸盐玻璃腔中的耳语走廊模式共振对光弹性及Pockels系数的研究表明，钾离子交换可以显著改变硼硅酸盐玻璃的光弹性行为。钠离子（Na⁺）被钾离子（K⁺）取代所引入的密度和原子极化率变化，决定了玻璃的光弹性行为。

作者贡献声明

Stavros Pissadakis：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，监督，方法论，资金获取，概念化。Nikolas Kokkinidis：方法论，研究，形式分析。Polyxeni Giouni：方法论，形式分析，数据管理。Vasileios Sarakatsianos：研究，数据管理。Nikolaos Korakas：验证，方法论，研究，形式分析

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢Aleka Manousaki女士提供的EDX测量和SEM照片，感谢Ioannis Sampson先生和Benoit Loppinet博士提供的相位对比显微镜测量，感谢Ioannis Konidakis博士的宝贵讨论，以及Fiberoptics Technology Inc.公司分享的光纤折射率数据。作者还感谢欧盟NextGenerationEU在RESEARCH – CREATE – INNOVATE 16971恢复与韧性计划（项目代码）下的共同资助：