[发明专利]具有大受激发射截面、高热稳定性的碲酸盐系玻璃的制备

说明书

技术领域

本发明属光学材料领域，涉及红外透过材料、红外发光材料、高增益激光材料等，具体为一种掺镱离子碲酸盐系玻璃材料及其制备方法。该玻璃具有大受激发射截面和高热稳定性参数，是高功率激光器和放大器的理想材料。

技术背景

随着激光器的发展逐渐趋于高能量、大功率、短脉冲和集成化，要求固体激光材料具有大的增益系数和良好的热稳定性。在激光玻璃中，作为高增益介质的激活离子主要有Nd³⁺和Yb³⁺等稀土离子。近年的研究表明，掺镱激光玻璃的许多性能都优于掺钕激光玻璃。与Nd³⁺离子相比，Yb³⁺离子只有两个能级，由于浓度淬灭引起的交叉驰豫对受激发射和激发波长不会产生影响，不存在激发态吸收和上转换，因此，掺镱激光玻璃的光转换效率高、量子缺陷低（量子效率可达90%左右）、热负荷低（仅为掺Nd³⁺离子同种激光材料的1/3）；另外，在相同增益情况下，掺镱激光玻璃的荧光寿命是掺钕激光玻璃的3倍以上，其储能效率也比掺钕激光玻璃高16倍，而且还具有掺杂浓度高、吸收带宽、可直接用半导体激光泵浦等优点。所以，掺Yb³⁺激光玻璃被认为是最有前途的下一代激光核聚变材料之一。

碲酸盐玻璃具有声子能量低（600-850cm^-1）、熔制温度低、折射率高、绝缘常数高、稀土离子掺杂浓度高、透过范围宽（可至中红外6μｍ）、受激发射截面大、荧光线宽宽等特点，是获得高增益系数、物理化学性能稳定的激光玻璃的理想基质，在全光学开关器件、光纤通信、上转换激光器、非线性光学材料和中红外玻璃等方面具有潜在的应用。然而，碲酸盐玻璃独特的三角双锥结构，使得其热稳定性和化学稳定性不太理想，主要表现在抗析晶热稳定性较差、玻璃脆性较大、机械强度较低等方面。

目前，关于碲酸盐激光玻璃的研究主要集中于二元和三元体系，而对于多元组分体系、激光玻璃热性能及高增益性能的影响因素的研究报道较少，因此，研

—1—

制增益性能高、热稳定性好的碲酸盐激光玻璃材料具有重要的意义。

发明内容

技术问题：  本发明的目的是，提供一种易于批量生产的具有大受激发射截面、高热稳定性的掺镱碲酸盐系玻璃。

技术方案： 本发明是在碲酸盐系玻璃基质中掺杂稀土元素镱（Yb）而形成的一类新型掺镱碲酸盐激光玻璃。该体系玻璃的设计包括玻璃的形成能力、光谱性能（吸收光谱和荧光发射光谱）及热稳定性能等。

本发明提出的掺镱碲酸盐系玻璃的组成以碲酸盐系为基础，包括以下组分：

TeO₂：  50~70mol%

Nb₂O₅： 5~15mol%

ZnO：   5~20mol%

PbF₂：   2~6mol%

 PbO：    5~15mol%

ZrF₄：   1~6mol%

   Yb₂O₃：  0.1-10mol%。

本发明的具有大受激发射截面、高热稳定性的掺镱碲酸盐系玻璃的制备方法包括以下步骤：

首先，采用氧化铝坩埚，在750℃—850℃范围加料，然后，升温至900℃—950℃范围化料；料化完后，用石英棒搅拌一次并观察；15—20min后，第二次搅拌；在900℃—950℃保温10min—15min后出炉；将玻璃液倾倒在预热好的铜模具上，待玻璃成型后迅速移入退火炉中，在玻璃转变温度处进行精密退火，退火速率为2℃/min—3℃/min，直至冷却至室温。

其中，重金属离子Pb²⁺、Zr⁴⁺、Nb⁵⁺离子用来增大Yb³⁺离子周围玻璃网络的不对称性和极性，F^-离子用来除去玻璃体系中的羟基，Pb²⁺离子用来改善玻璃的荧光光谱性能。

有益效果： 与以往的碲酸盐玻璃体系相比，本发明玻璃体系具有如下的优点：