專利名稱：一種高損傷閾值激光窗口材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬光學(xué)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高損傷閾值激光窗口材料的制備方法。
背景技術(shù)：
目前光學(xué)元件的損傷問題已經(jīng)成為制約激光器向高能量、高重復(fù)發(fā)展的瓶頸，作為世界上大能量激光裝置的代表有美國的NIF(National Ignition Facility)裝置、法國的LMJ(Laser Magajouk)裝置和我國的神光裝置。這些激光器為了獲得高能光子，終端輸出為三倍頻激光，總輸出功率高達(dá)全世界發(fā)電總功率的數(shù)十倍，是有史以來最大的光學(xué)工程， 被用于ICFdnertial Confinement Fusion)作為驅(qū)動器。在這些巨型激光裝置中，熔石英光學(xué)元件數(shù)量接近2000塊，凈口徑達(dá)到400mmX400mm，大量應(yīng)用于激光器中的透鏡、窗口、 光柵和碎片防護(hù)板上。但是，熔石英玻璃在三倍頻激光輻照下表面損傷嚴(yán)重，而且損傷點在后續(xù)激光輻照下會進(jìn)一步增長，出現(xiàn)大量的擋光現(xiàn)象，從而使光學(xué)器件難以滿足使用要求。導(dǎo)致熔石英光學(xué)元件表面損傷的原因很多包括材料在加工過程中引入的拋光粉、 劃痕、裂紋、表面污染物等；以及材料在生產(chǎn)過程中引入的雜質(zhì)離子，結(jié)構(gòu)缺陷。當(dāng)前，研究人員通過CO2激光器處理、酸處理、提高拋光精度等方法已經(jīng)將熔石英光學(xué)元件的加工精度提高到1個缺陷點/100cm2，但由于熔石英的結(jié)構(gòu)缺陷(如oxygen deficient center, ODC ； nonbridging oxygen hole center, NBOHC ；self-trapped exciton, STE)并沒有從根本上去除，因此，這些經(jīng)過改良的熔石英光學(xué)元件依然不能滿足高能激光系統(tǒng)的需求。早在1999年美國勞倫斯-里弗莫爾國家實驗室就提出了一種可以取代熔石英提高激光損傷閾值的概念性途徑，如采用氟化物晶體、氟化物玻璃等。紫外光刻實驗表明，氟化物晶體和玻璃在紫外波段具有很好的損傷性能，同樣的結(jié)果在氟化物所鍍的紫外膜中也有體現(xiàn)。氟化物在紫外區(qū)的高透光性源于其具有大的能隙(如MgF2可達(dá)到lleV，熔石英為 7. 8eV)；同時，氟化物玻璃并沒有熔石英中所出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)缺陷，這可能是其損傷閾值高的一個重要因素。但氟化物玻璃也存在許多缺點，如容易析晶，成玻性差，大尺寸制作比較困難。 因此，尋求一種在紫外區(qū)透光性好，損傷閾值高，且可大尺寸生產(chǎn)、化學(xué)穩(wěn)定性好的光學(xué)窗口玻璃迫在眉睫。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前石英玻璃三倍頻損傷閾值低，而氟化物玻璃易析晶、難以大尺寸生產(chǎn)等問題，本發(fā)明提出了一種化學(xué)性能穩(wěn)定、損傷閾值較高的新型高損傷閾值激光窗口材料的制備方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是通過在氟化物玻璃中弓丨入可改善其成玻特性、物化性質(zhì)的氧化物助劑，獲得新型大尺寸的高損傷閾值窗口玻璃。具體制備方法如下—種高損傷閾值激光窗口材料的制備方法，包括以下步驟
(1)準(zhǔn)備原材料，其中原材料各組分的配比如下玻璃組分摩爾百分?jǐn)?shù)m0l%AlF3:30 -35
BaF2 20 -30
MgF210 -一 15
SiO219 -一 28
La2O3 3. 5 -、6.
m 2 ■4各組分配比之和為100%，根據(jù)以上摩爾配比計算出原材料各組分的質(zhì)量，稱取原材料各組分，混合均勻成粉料；(2)將混合均勻的粉料加入坩堝中，通過電熔爐加熱熔融，熔制溫度控制在 1100 1220°C，并不斷攪拌；(3)待熔融得到完全澄清的高溫玻璃液，將高溫玻璃液注入到已經(jīng)預(yù)熱好的模具中成型；(4)將成型的玻璃模具立刻放入馬弗爐中，以10°C /小時速率進(jìn)行退火，直到溫度降到50°C，關(guān)閉馬弗爐，降溫至室溫，最后取出成品，即得到高損傷閾值的激光窗口材料。上述步驟(4)是將玻璃放入馬弗爐中，首先以玻璃的轉(zhuǎn)變溫度Tg保溫2小時后， 再以10°C /小時的速度退火，以消除玻璃中的應(yīng)力。(玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg可在前期配方試驗中通過 DSC (differential scanning calorymeter) ilji式獲得。)本發(fā)明解決了氟化物玻璃易析晶、成玻性差、難以大尺寸生產(chǎn)的問題。同時其損傷閾值顯著地提高，可用于高能激光器中提高負(fù)載能力，對ICF的順利進(jìn)行具有重要作用。該窗口材料生產(chǎn)工藝簡單，成本較低，對于大型工程項目的成本控制也有很大的幫助。該窗口材料可作為透鏡、窗口和棱鏡等元器件用于強激光系統(tǒng)，進(jìn)一步提高激光器的負(fù)載能力，并有望光學(xué)元件材料用于慣性約束核聚變(inertialconfinement fusion, ICF)激光器。


圖1為本發(fā)明的氟化物-硅酸鹽窗口材料與熔石英的的損傷閾值測試對比曲線。圖2為本發(fā)明的氟化物-硅酸鹽窗口材料的透過率曲線。
具體實施例方式本發(fā)明提出的新型高損傷閾值激光窗口材料的制備方法，是以氟化物為基礎(chǔ)玻璃體系，通過加入S^2提高氟化物的成玻性和物理化學(xué)性質(zhì)；加入氧化物I^2O3J2O3提高玻璃的熱轉(zhuǎn)變溫度及抗析晶性能；通過優(yōu)化配方中各組成的比例，獲得大尺寸、化學(xué)性能穩(wěn)定、 激光損傷閾值高于熔石英的窗口玻璃。表1給出了具體實施例中各組分配比及相應(yīng)樣品的光學(xué)性能。下面通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。表 權(quán)利要求
1. 一種高損傷閾值激光窗口材料的制備方法，包括以下步驟 (1)準(zhǔn)備原材料，其中原材料各組分的配比如下 玻璃組分摩爾百分?jǐn)?shù)mol%AlF3:30 -35BaF220 -一 30MgF210 -一 15SiO219 -一 28La2O3 3. 5 -、6.m 2 .4各組分配比之和為100%，根據(jù)以上摩爾配比計算出原材料各組分的質(zhì)量，稱取原材料各組分，混合均勻成粉料；(2)將混合均勻的粉料加入坩堝中，通過電熔爐加熱熔融，熔制溫度控制在1100 1220°C，并不斷攪拌；(3)待熔融得到完全澄清的高溫玻璃液，將高溫玻璃液注入到已經(jīng)預(yù)熱好的模具中成型；(4)將成型的玻璃模具立刻放入馬弗爐中，以10°C/小時速率進(jìn)行退火，直到溫度降到 50°C，關(guān)閉馬弗爐，降溫至室溫，最后取出成品，即得到高損傷閾值的激光窗口材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(4)將玻璃放入馬弗爐中，首先以玻璃的轉(zhuǎn)變溫度Tg保溫2小時后，再以10°C /小時的速度退火。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種化學(xué)性能穩(wěn)定、損傷閾值較高的新型高損傷閾值激光窗口材料的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是通過在氟化物玻璃中引入可改善其成玻特性、物化性質(zhì)的氧化物助劑，獲得新型大尺寸的高損傷閾值窗口玻璃。本發(fā)明解決了氟化物玻璃易析晶、成玻性差、難以大尺寸生產(chǎn)的問題。同時其損傷閾值顯著地提高，可用于高能激光器中提高負(fù)載能力，對ICF的順利進(jìn)行具有重要作用。
文檔編號C03C3/062GK102557430SQ20111043430
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者付麗麗, 侯超奇, 彭波, 李瑋楠, 王鵬飛, 陸敏, 韋瑋, 高飛 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所