專利名稱：氟鋁酸鹽激光玻璃及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微片激光器，特別是一種應(yīng)用于微片激光器的高濃度稀土離子摻雜的氟鋁酸鹽激光玻璃及其制備方法。
背景技術(shù)：
以微片結(jié)構(gòu)運(yùn)行的鉺離子摻雜的激光器在1.54μm的通信波段和“人眼安全”波段的潛在應(yīng)用，近年來(lái)引起國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的極大興趣。目前已使用的運(yùn)行于1.06μm和1.34μm波段的微片激光器，使用的基質(zhì)材料主要為稀土離子摻雜的晶體材料(參見文獻(xiàn)D.R.MacFarlane，J.Javorniczky，P.J.Newman，V.Bogdanov，D.J.Booth，W.E.K.Gibbs，J.Non-Cryst.Solids 213&214(1997)158)。
與晶體材料相比，玻璃材料的高能微片激光器，需要玻璃中摻雜的稀土離子濃度至少需要比其在晶體中所摻雜的濃度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。增加稀土離子摻雜濃度是為了在材料尺寸很短的情況下可以獲得對(duì)泵浦光足夠的吸收以及補(bǔ)償增益。然而，對(duì)于絕大多數(shù)玻璃系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，稀土離子的高摻雜必然會(huì)引起玻璃中的團(tuán)簇效應(yīng)與濃度淬滅效應(yīng)。因此，自1993年首次基于玻璃材料的微片激光器研究報(bào)道以來(lái)，到目前為止，關(guān)于該領(lǐng)域的研究報(bào)道寥寥無(wú)幾(參見文獻(xiàn)T.Taira，A.Mukai，Y.Nozawa，T.Kobayashi，Optics Letters 16(1991)1955)。
已有的研究表明，與摻稀土離子的硅酸鹽玻璃相比，重金屬氟化物玻璃是一種非常適合于稀土離子高摻雜的玻璃基質(zhì)材料。氟化物玻璃不僅具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)還具有可實(shí)現(xiàn)鐿離子高摻雜的優(yōu)良性能。另外，氟化物玻璃還有絕大多數(shù)氧化物玻璃所不具備的很重要的優(yōu)點(diǎn)，即激發(fā)態(tài)離子具有更長(zhǎng)的熒光壽命(參見文獻(xiàn)F.Gan，Non-Cryst.Solids184(1995)9；W.J.Miniscalo，J.Lightwave Tech.9(1991)234)。
鉺激光玻璃系統(tǒng)的研究發(fā)展對(duì)激光玻璃的光譜性質(zhì)和激光特性提出了更高的要求。1.54微米波段的鉺離子激光是一個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)，其激發(fā)亞穩(wěn)態(tài)上需要比基態(tài)更多的粒子數(shù)才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因此需要共摻其它稀土離子以實(shí)現(xiàn)熒光的敏化。
在鐿Yb3+離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)中只有兩個(gè)能級(jí)，即2F7/2基態(tài)和2F5/2激發(fā)態(tài)。摻Y(jié)b3+離子的激光玻璃位于970nm處有一個(gè)很強(qiáng)的吸收峰，該吸收峰值與980nm的InGaAs半導(dǎo)體激光器吻合的很好。由于Yb3+離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此Yb3+離子沒有濃度淬滅、激發(fā)態(tài)吸收、上轉(zhuǎn)換和多聲子馳豫等現(xiàn)象的發(fā)生(參見文獻(xiàn)L.Wetenkam，G.F.West，H.Tobben，J.Non-Cryst.Solids 140(1992)30)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種氟鋁酸鹽激光玻璃及其制備方法，該玻璃可實(shí)現(xiàn)稀土離子鉺與鐿的高濃度摻雜，鉺離子最高摻雜濃度可達(dá)約23％而不出現(xiàn)玻璃失透現(xiàn)象，在鉺離子濃度高摻雜至8-10％時(shí)，玻璃中鉺離子仍不會(huì)出現(xiàn)濃度淬滅。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種氟鋁酸鹽激光玻璃，其特點(diǎn)是該玻璃原料配方如下原料 mol％AlF330-40％MgF210-12.5％
CaF210-12.5％SrF27.5-15％BaF27.5-15％YF30-15％ErF30-20％YbF30-25％本發(fā)明氟鋁酸鹽激光玻璃的制備方法，包括下列步驟①.上述的玻璃原料配方范圍選定具體配比，稱量各高純(≥99.999％)原料；②.裝料將粉末狀原料及相當(dāng)于原料總重量的5-8％的氟化氫氨(NH4F·HF)混合均勻后，放在鉑金坩鍋內(nèi)，加蓋鉑金蓋后，放入硅炭棒電爐中；③.熔制電爐升溫，在惰性氣體Ar氣保護(hù)下溫度為900-1100℃進(jìn)行熔制，原料完全熔化，并經(jīng)均化，澄清為玻璃液；④.澆注降溫至800-1000℃，將玻璃液澆注在預(yù)熱過(guò)的鐵模具中；⑤.退火快速將該玻璃放入已升溫至材料轉(zhuǎn)變溫度(Tg)附近的馬費(fèi)爐中進(jìn)行退火先保溫2小時(shí)，然后以2-5℃/小時(shí)的速率降溫至100℃，關(guān)閉馬費(fèi)爐電源，自動(dòng)降溫至室溫。
本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果是玻璃的轉(zhuǎn)變溫度，軟化溫度和熔制溫度根據(jù)使用差熱分析儀測(cè)得的差熱曲線確定；玻璃中是否有析晶存在根據(jù)X射線衍射圖譜確定；玻璃的吸收光譜使用吸收光譜儀測(cè)定；玻璃的1.544μm的熒光光譜使用980nm半導(dǎo)體激光器泵浦的熒光光譜儀測(cè)定。經(jīng)測(cè)試表明本發(fā)明氟鋁酸鹽激光玻璃的機(jī)械性質(zhì)與化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良。玻璃中鉺離子與鐿離子的摻雜濃度按摩爾百分比計(jì)算可高達(dá)約22-30％而不失透。鉺離子濃度可高摻雜到約8-10％摩爾百分比，玻璃中鉺離子的熒光強(qiáng)度也不會(huì)出現(xiàn)濃度淬滅；本發(fā)明氟鋁酸鹽激光玻璃的制備工藝比較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本比較低。
表1列出了本發(fā)明氟鋁酸鹽激光玻璃7個(gè)具體實(shí)施例的摩爾百分比組成。
表1

實(shí)施例1、2、3的制備方法如下第一步，選取玻璃配方，按表1中第1、2、3例稱量高純?cè)?；第二步，熔制氟鋁酸鹽玻璃，第1、2、3例玻璃的熔制工藝相同，具體制備過(guò)程如下將高純度的AlF3，MgF2，CaF2，SrF2，BaF2，YF3，ErF3和YbF3粉末狀原料及相當(dāng)于原料總重量5-8％的氟化氫氨(NH4F·HF)混合均勻后，放在鉑金坩堝中，于硅炭棒電爐中進(jìn)行熔制，玻璃熔制過(guò)程中使用惰性氣體Ar進(jìn)行氣氛保護(hù)。熔化溫度為900-1100℃。為防止玻璃高溫熔制過(guò)程中原料的揮發(fā)損失，在玻璃熔制過(guò)程中，鉑金坩堝上放置有鉑金蓋。原料完全熔化，經(jīng)均化、澄清后于800-1000℃出爐，將玻璃液澆注在預(yù)熱過(guò)的鐵模具中。然后快速將該玻璃放入已升溫至材料轉(zhuǎn)變溫度(Tg)附近的馬弗爐中進(jìn)行退火先保溫2小時(shí)，然后以2-5℃/小時(shí)的速率降溫到100℃，然后關(guān)閉馬弗爐電源，自動(dòng)降溫至室溫。
實(shí)施例4、5、6、7。
第一步，選取玻璃配方，按照表1中第4、5、6、7例摩爾百分比稱量各高純?cè)稀?br> 第二步，熔制第4、5、6、7組氟鋁酸鹽激光玻璃的工藝過(guò)程與熔制第1、2、3例玻璃的熔制工藝基本相同。第4、5、6、7例玻璃的退火溫度與工藝過(guò)程與第1、2、3例玻璃基本相同。
上述實(shí)施例制得的氟鋁鹽激光玻璃經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，透明且物理化學(xué)性能優(yōu)良。該氟鋁酸鹽激光玻璃實(shí)現(xiàn)了稀土離子鉺與鐿的高濃度摻雜，鉺離子最高摻雜濃度可達(dá)約23％而不出現(xiàn)玻璃失透現(xiàn)象。隨著玻璃中鉺離子摻雜濃度的增加，玻璃中鉺離子的熒光強(qiáng)度隨之增強(qiáng)，在鉺離子濃度高摻雜至8-10％時(shí)，玻璃中鉺離子的仍不會(huì)出現(xiàn)濃度淬滅及由此產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度遞減現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種氟鋁酸鹽激光玻璃，其特征在于該玻璃原料配方如下原料 mol％AlF330-40％MgF210-12.5％CaF210-12.5％SrF27.5-15％BaF27.5-15％YF30-15％ErF30-20％YbF30-25％原料的純度≥99.999％
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氟鋁酸鹽激光玻璃的制備方法，其特征在于包括下列步驟①.按權(quán)利要求1所述的玻璃原料配方選定具體配比稱量各原料；②.裝料將粉末狀原料及相當(dāng)于原料總重量的5-8％的氟化氫氨(NH4F·HF)混合均勻后，放在鉑金坩鍋內(nèi)，加蓋鉑金蓋后，放入硅炭棒電爐中；③.熔制電爐升溫，在惰性氣體Ar氣保護(hù)下溫度為900-1100℃進(jìn)行熔制，原料完全熔化，并經(jīng)均化，澄清為玻璃液；④.澆注降溫至800 1000℃，將玻璃液澆注在預(yù)熱過(guò)的鐵模具中；⑤.退火快速將該玻璃放入已升溫至材料轉(zhuǎn)變溫度(Tg)附近的馬費(fèi)爐中進(jìn)行退火先保溫2小時(shí)，然后以2-5℃/小時(shí)的速率降溫至100℃，關(guān)閉馬費(fèi)爐電源，自動(dòng)降溫至室溫。
全文摘要
一種氟鋁酸鹽激光玻璃及其制備方法。該玻璃的配方按摩爾百分比為AlF
文檔編號(hào)C03B25/00GK1541965SQ20031010849
公開日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2003年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月7日
發(fā)明者張軍杰, 徐時(shí)清, 汪國(guó)年, 戴世勛, 胡麗麗 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所