摻鐿磷鍺氟激光玻璃及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種激光玻璃，特別是一種具有優(yōu)良成玻璃性能的高截面高熒光壽命 摻鐿磷鍺氟激光玻璃及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 摻鐿激光玻璃是高功率激光及光纖最重要的增益介質之一。Yb3+激光材料的強吸 收峰（976nm)恰好位于廉價的InGaAs激光二極管泵浦波長（0.9-1. 1 μm)范圍內，兩者能 有效耦合，可以極大地提高泵浦效率和放大器及激光器的量子效率。由于Yb3+離子摻雜濃 度可以很高，增益介質能夠做成較薄的厚度，從而使熱源與冷卻體間距減小，熱流沿軸向， 在高的泵浦功率密度下，材料中的溫度變化也很小，大大降低了增益介質中的熱應力和熱 畸變，因而摻鐿激光材料對激光技術的發(fā)展具有深遠的意義，是理想的核聚變快點火激光 驅動器增益介質
[0003] 在高功率摻鐿激光玻璃的研宄上所面臨的問題是玻璃系統(tǒng)的選擇，因為具有較大 Yb3+離子下能級Stark分裂的氧化物玻璃基質，如硅酸鹽、鍺酸鹽、鉍酸鹽和碲酸鹽，皆具有 或者Yb 3+摻雜濃度低，或者熒光壽命低，或二者兼而有之的缺點；而摻鐿磷酸鹽玻璃雖然具 有長壽命和高截面，但Yb3+離子在其中的Stark分裂很小，激光運行時產(chǎn)生嚴重的熱效應， 極大地限制了 Yb3+離子的激光輸出性能。氟磷酸鹽玻璃被證明是較好的Yb3+激光增益介質， 具有高Yb 3+摻雜能力、高儲能、寬帶寬特性，使得塊體摻鐿氟磷玻璃可以實現(xiàn)很高的峰值功 率輸出。作為世界上唯一的LD泵浦高功率激光裝置，法國Polaris的各級放大系統(tǒng)中使用 的增益介質皆為直徑12?70_，厚度6. 5?13mm的摻鐿氟磷玻璃。目前其穩(wěn)定運行下的 激光輸出為脈寬<150fs，能量12J，峰值功率幾十TW，在科學實驗、激光加工、焊接、檢測等 十數(shù)個方向上有重要應用。
[0004] 由于高發(fā)射截面可以顯著的提高激光的輸出功率，因此，提高Yb3+在玻璃中的發(fā) 射截面是十分有價值的研宄。目前所報道的摻鐿激光氟磷玻璃的發(fā)射截面普遍較低，通常 低于0. 75X KT2tlCm2，同時玻璃的轉變溫度也較低，在激光運行時抗熱沖擊性能差。所以，具 有高發(fā)射截面和高轉變溫度性質的摻鐿激光玻璃是優(yōu)秀的摻鐿激光玻璃材料。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種摻鐿磷鍺氟激光玻璃及其制備方法，該玻璃的特性是具 有高發(fā)射截面和高熒光壽命、適合于大尺寸制備的優(yōu)良的成玻璃性能和良好的析晶穩(wěn)定性 能。
[0006] 本發(fā)明的技術解決方案如下：
[0007] 一種摻鐿磷鍺氟激光玻璃，其特點在于該玻璃主要由磷酸鹽和鍺酸鹽兩種 網(wǎng)絡生成體、各類氟化物及少量氧化物組成，該玻璃的陽離子及其摩爾百分組成為： Ρ5+:25· 0-30. 0, Al 3+:17· 5-23. 0, Mg2+:3. 0-8. 0, Ca2+: 11. 0-16. 0, Sr2+: 11. 0-15. 0， Ba2+:5. 5-12. 0, Li+:〇-ll. 0, Ge4+:3. 0-4. 0, Yb3+:3. 0。
[0008] 所述的摻鐿氟磷玻璃的制備方法，其特點在于該方法包括下列步驟：
[0009] 1)配合料的稱量及干燥：
[0010] 首先以 Al(PO3)3, Ba(PO3)3, Sr(H2PO4)2, Ge02，Al(0H)3，MgF2, CaF2, SrF2, BaF2, LiF， YbF^t為原料，根據(jù)摻鐿磷鍺氟玻璃組成所述的陽離子的摩爾百分比選定引入離子的原 料。將配合料充分攪拌均勻后放入ll〇°C的真空干燥箱中干燥24小時。
[0011] 2)氣氛保護下?lián)借O磷鍺氟玻璃的熔制：
[0012] 將配合料加入密閉白金坩堝中熔化，熔融溫度為1050?1100 °C，熔化時間為60? 80分鐘，玻璃液面通N2氣保護，澄清50?70分鐘后，降溫至700?750°C攪拌5小時，葉 槳轉速60?80轉/分鐘，后勻速降溫至680°C?710°C保溫20分鐘，同時葉槳轉速降至20 轉/分鐘，然后在預熱的鑄鐵模具上澆注成型；
[0013] 3)玻璃退火：
[0014] 將所澆注的玻璃放入已升溫至該玻璃轉變溫度（Tg)的馬弗爐中，保溫4小時，以 2?4。。/小時的速度退火至200。。，然后以KTC /小時的速度退火至室溫。
[0015] 實驗表明，本發(fā)明玻璃體系的特點是，含有磷、鍺兩種網(wǎng)絡生成體，其中少量的鍺 可以在對玻璃折射率、色散及成玻璃性能影響很小的情況下，顯著提高Yb 3+的發(fā)射截面。長 達8小時的熔制過程顯示，該體系玻璃保持了很好的成玻璃性能、析晶穩(wěn)定性能和熱性能。 3mol % Yb3+含量下，Imm厚度樣品的熒光壽命為1.8?2. 0ms，IOOOnm處的發(fā)射截面高達 0. 8143?0. 9688 X l(T2°cm2,實現(xiàn)了簡單諧振腔中2mm厚度玻璃I. 166W的激光輸出。
[0016] 本發(fā)明的有益效果為：
[0017] Yb3+離子在本體系中的具有高達0. 8143?0. 9688 X 10 -2°cm2的發(fā)射截面及Imm厚 度樣品中1. 8?2. Oms的熒光壽命。其中，含Li+玻璃的壽命相對較高，轉變溫度相對較低； 不含Li+的玻璃壽命相對較低，轉變溫度很高。該系列玻璃的組分設計使其成玻璃性質、析 晶性能和熱穩(wěn)定性能適合于長時間高溫熔制要求，可獲得滿足激光實驗要求的高光學均勻 性玻璃。室溫下5X6X2mm 3尺寸的玻璃在簡單諧振腔激光實驗中獲得了 I. 166W的激光輸 出。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明摻鐿磷鍺氟玻璃的吸收和發(fā)射截面
[0019] 圖2是本發(fā)明摻鐿磷鍺氟玻璃的DSC曲線
【具體實施方式】
[0020] 以下結合實施例對本發(fā)明做進一步闡述。
[0021] 本發(fā)明摻鐿磷鍺氟玻璃5個實施例玻璃的陽離子摩爾百分組成如表1所示。表中 還給出了對應玻璃的IOOOnm處的發(fā)射截面、Imm厚度樣品的熒光壽命、激光增益參數(shù)及轉 變溫度。
[0022] 表1磷鍺氟激光玻璃實施例的陽離子摩爾百分組成
[0023]
【主權項】
1. 一種摻鐿磷鍺氟玻璃，其特征在于該玻璃主要由磷酸鹽和鍺酸鹽兩種網(wǎng)絡生成體、 各類氟化物及少量氧化物組成，該玻璃陽離子及其摩爾百分比組成為：Piss. 0-30. 0， ΑΡΗ· 5-23. 0, Mg2+:3. 0-8. 0, Ca2+:11. 0-16. 0, Sr 2+:11· 0-15. 0, Ba2+:5. 5-12. 0, Li +: 0-11. 0, Ge4+:3. 0-4. 0, Yb 3+:3· 0。
2. 權利要求I所述的摻鐿磷鍺氟玻璃的制備方法，其特征在于該方法包括下列步驟： 1) 配合料的稱量及干燥：首先以 Al(PO3)3, Sr(H2PO4)2, GeO2, Al (OH)3, MgF2, CaF2, SrF2, BaF2, LiF，YbF3作為引入所述離子的原料，選定所述的陽離子的摩爾百分比，稱取Ikg玻璃 粉料，充分攪拌均勻形成玻璃配合料；將配合料放入ll〇°C的真空干燥箱中干燥24小時； 2) 氣氛保護下?lián)借O磷鍺氟玻璃的熔制：將配合料加入密閉白金坩堝中熔化60?80分 鐘，熔融溫度為1050?1100°C，玻璃液面通隊氣保護；澄清50?70分鐘后，降溫至700? 750°C攪拌5小時，攪拌速度為60?80轉/分鐘；后勻速降溫至680°C?710°C，保溫20分 鐘，同時葉槳轉速降至20轉/分鐘，然后在預熱的鑄鐵模具上澆注成型； 3) 玻璃退火：將所澆注的玻璃放入已升溫至該玻璃轉變溫度（Tg)的馬弗爐中，保溫4 小時，以2?4°C /小時的速度退火至200°C，然后以10°C /小時的速度退火至室溫。
【專利摘要】一種摻鐿磷鍺氟激光玻璃及其制備方法。該玻璃主要由磷酸鹽和鍺酸鹽兩種網(wǎng)絡生成體、各類氟化物及少量氧化物組成，其中陽離子的摩爾百分組成為：P5+：25.0-30.0，Al3+：17.5-23.0，Mg2+：3.0-8.0，Ca2+:11.0-16.0，Sr2+:11.0-15.0，Ba2+:5.5-12.0，Li+:0-11.0,Ge4+:3.0-4.0，Yb3+:3.0。與已有的摻鐿磷酸鹽及氟磷酸鹽激光玻璃相比，Yb3+在磷鍺氟玻璃中的突出優(yōu)點是具有高發(fā)射截面和高熒光壽命，并具有優(yōu)良的成玻璃性質，適合長時間高溫熔制。塊體激光實驗顯示其激光輸出功率顯著高于現(xiàn)有摻鐿磷酸鹽及氟磷酸鹽激光玻璃。
【IPC分類】C03C3-253, C03B19-02
【公開號】CN104609725
【申請?zhí)枴緾N201510025801
【發(fā)明人】張麗艷, 胡麗麗
【申請人】中國科學院上海光學精密機械研究所
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月16日