CN110937806A - 组分调节光学性能的掺镱硅酸盐激光玻璃及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种组分调节光学性能的掺镱硅酸盐激光玻璃及其制备方法，通过向硅酸盐玻璃中引入碱/碱土金属来改变Yb³⁺离子的共价键性和非对称性，从而调整其发光性能。本发明硅酸盐玻璃主体为铅硅酸盐玻璃，摩尔成分为：50～70mol％的SiO₂，10～38mol％的PbO，10～30mol％的R₂O/RO(R为Li、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba)和掺杂的1～10mol％Yb₂O₃。本发明采用铂金坩埚制备玻璃液体，再将玻璃在预热的模具中冷却，然后放入马弗炉中退火。通过控制R₂O/RO的种类和含量，使掺镱硅酸盐玻璃受激发射截面和有效线宽提高57％。该硅酸盐玻璃具有较好的光学性能、易于加工等优势，在激光玻璃和光纤中有极大的应用前景。

Description

组分调节光学性能的掺镱硅酸盐激光玻璃及其制备方法

技术领域

本发明涉及用于稀土发光玻璃以及激光玻璃技术领域，特别涉及一种用于高峰值功率脉冲激光器的组分调节光学性能的掺镱硅酸盐激光玻璃及其制备方法。

技术背景

超短脉冲激光器因具有能量和高功率而在材料加工、非线性光学以及惯性约束核聚变等领域具有很大应用潜力。Yb³⁺离子因具有低量子亏损、高量子效率以及高能量储存储存能力，而成为高能量高功率超短脉冲介质中的发光中心离子。相比单晶和透明陶瓷，玻璃具有大尺寸低成本等优势而成为主流的激光介质。然而，Yb³⁺掺杂的激光***依然面临着激光高阈值和热阻塞效应。众所周知，玻璃组分对稀土发光有着至关重要的影响，硅酸盐玻璃因具有较大的局域场强而对Yb³⁺能级的Stark***有很大影响。本发明提出一种在硅酸盐玻璃中，通过改变不同的碱/碱土金属，对Yb³⁺的光学性能进行优化，并提供制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组分调节光学性能的掺镱硅酸盐激光玻璃，该玻璃具有成本低、易制备大尺寸、掺杂浓度高等优势，并提供相应的制备方法。

本发明的技术解决方案为：

一种组分调节光学性能的掺镱硅酸盐激光玻璃的成分描述如下：

本发明还提供上述掺镱硅酸盐激光玻璃的制备方法，包括以下步骤：

①根据权利要求1所述镱硅酸盐激光玻璃的组成及摩尔百分比，计算并称量原料，置入玛瑙研钵中充分研磨，形成混合粉料；

②将上述步骤①中研磨得到的混合粉料置于铂金坩埚中，并将铂金坩埚放入熔炉中1100～1500℃熔制1～3h，熔化得到玻璃液；

③将玻璃液浇注在预热好的铁质模具上，得到透明且均匀的玻璃前驱体；

④将上述的玻璃前驱体转移至马弗炉中进行退火处理，退火温度为玻璃转变温度(T_g)，保温3～24小时后，以0.1～10℃/h降温速率降至室温，取出玻璃前驱体；

⑤将步骤④得到的玻璃前驱体加工成厚度为1～2mm的玻璃片。

本发明的技术效果：

本发明通过向组分为Yb³⁺掺杂铅硅酸盐玻璃中引入一定量的碱/碱土金属氧化物来增加Yb³⁺离子的局域场强，从而增加Yb³⁺的Stark***和非对称性，最终提升Yb³⁺离子的发射截面、受激辐射概率。另外，该玻璃具有成本低、易制备大尺寸、掺杂浓度高等优势，能够被用于高功率高能量脉冲激光介质中。

附图说明

图1为本发明实施例1#、实施例2#、实施例3#和实施例4#常温下Yb³⁺的局域晶体场强和非对称性。

图2为本发明实施例1#、实施例2#、实施例3#和实施例4#常温下Yb³⁺的发射截面和有效线宽。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明中掺镱硅酸盐激光玻璃7个实施例组分如下所示：

表1：7个实施例的玻璃配方

实施例1#：

原料组成如表1所示，具体制备过程如下：

称取原料(共100g)：

将称量好的原料置于玛瑙研钵中充分研磨，形成混合粉料，将研磨得到的混合粉料置于铂金坩埚中，并放入大约1400℃高温炉中熔化60min，再将温度升高至不低于1450℃保温约60min。此后，降温至大约1350℃静置约30min。将均匀的玻璃液浇铸在预热好的铸铁模具上，待其成型后迅速转移至退火炉，在大约T_g温度下退火180min后以大约0.5℃/min左右的速率冷却至室温。熔化过程需在铂金坩埚上加盖，减少原料挥发。将制备得到的玻璃前驱体加工成厚度为2mm的玻璃片。

如图1和图2所示，实施例1#中，Yb³⁺周围环境的离子场强、非对称性、发射截面和发射有效线宽分别达到3702、0.514、1.155×10^–20cm²以及40.1nm。

实施例2#：

原料组成如表1所示，具体制备过程如下：

称取原料(共20g)：

将称量好的原料置于玛瑙研钵中充分研磨，形成混合粉料，将研磨得到的混合粉料置于铂金坩埚中，并放入大约1350℃高温炉中熔化90min，再将温度升高至不低于1400℃保温约50min。此后，降温至大约1300℃静置约30min。将均匀的玻璃液浇铸在预热好的铸铁模具上，待其成型后迅速转移至退火炉，在大约T_g温度下退火150min后以大约1℃/min左右的速率冷却至室温。熔化过程需在铂金坩埚上加盖，减少原料挥发。将制备得到的玻璃前驱体加工成厚度为1mm的玻璃片。

如图1和图2所示，实施例2#中，Yb³⁺周围环境的离子场强、非对称性、发射截面和发射有效线宽分别达到3674、0.447、0.968×10^–20cm²以及38.9nm。

实施例3#：

原料组成如表1所示，具体制备过程如下：

称取原料(共20g)：

将称量好的原料置于玛瑙研钵中充分研磨，形成混合粉料，将研磨得到的混合粉料置于铂金坩埚中，1300℃高温炉中熔化90min，再将温度升高至不低于1400℃保温约50min。此后，降温至大约1250℃静置约40min。将均匀的玻璃液浇铸在预热好的铸铁模具上，待其成型后迅速转移至退火炉，在大约T_g温度下退火120min后以大约2℃/min左右的速率冷却至室温。熔化过程需在铂金坩埚上加盖，减少原料挥发。将制备得到的玻璃前驱体加工成厚度为1mm的玻璃片。

如图1和图2所示，实施例3#中，Yb³⁺周围环境的离子场强、非对称性、发射截面和发射有效线宽分别达到3645、0.364、0.66×10^–20cm²以及37.8nm。

实施例4#：

原料组成如表1所示，具体制备过程如下：

称取原料(共20g)：

将称量好的原料置于玛瑙研钵中充分研磨，形成混合粉料，将研磨得到的混合粉料置于铂金坩埚中，并放入大约1500℃高温炉中熔化180min，再将温度升高至不低于1480℃保温约60min。此后，降温至大约1450℃静置约60min。将均匀的玻璃液浇铸在预热好的铸铁模具上，待其成型后迅速转移至退火炉，在大约T_g温度下退火180min后以大约1℃/min左右的速率冷却至室温。熔化过程需在铂金坩埚上加盖，减少原料挥发。将制备得到的玻璃前驱体加工成厚度为1mm的玻璃片。

如图1和图2所示，实施例4#中，Yb³⁺周围环境的离子场强、非对称性、发射截面和发射有效线宽分别达到3752、0.737、1.474×10^–20cm²以及64.0nm。相比于掺杂Li⁺的铅硅酸盐玻璃，常温下发射截面和有效发射线宽提升约57％。

实验表明，通过向组分为Yb³⁺掺杂铅硅酸盐玻璃中引入一定量的离子场强大的碱/碱土金属离子，导致Yb³⁺离子的局域电场强度和非对称性增加，使得Yb³⁺离子的吸收、发射截面、有效发射线宽和受激辐射概率增强。此掺镱硅酸盐玻璃在高能量高功率脉冲激光器中作为激光介质具有极高的应用前景。

Claims (2)

1.一种组分调节光学性能的掺镱硅酸盐激光玻璃，其特征在于，原料组分的摩尔百分比如下：

其中R₂O/RO(R为Li、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba)分别由Li₂CO₃、Na₂CO₃、K₂CO₃、MgO、CaCO₃、SrCO₃和BaCO₃引入。

2.权利要求1所述组分调节光学性能的掺镱硅酸盐激光玻璃的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

①根据权利要求1所述镱硅酸盐激光玻璃的组成及摩尔百分比，计算并称量原料，置入玛瑙研钵中充分研磨，形成混合粉料；

②将步骤①研磨得到的混合粉料置于铂金坩埚中，并将铂金坩埚放入熔炉中1100～1500℃熔制1～3h，熔化得到玻璃液；

③将玻璃液浇注在预热好的铁质模具上，得到透明且均匀的玻璃前驱体；

④将上述的玻璃前驱体转移至马弗炉中进行退火处理，退火温度为玻璃转变温度(T_g)，保温3～24小时后，以0.1～10℃/h的降温速率降至室温，取出玻璃前驱体；

⑤将步骤④得到的玻璃前驱体加工成厚度为1～2mm的玻璃片。

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