[发明专利]一种稀土离子掺杂光热敏折变激光玻璃陶瓷及其制备方法

说明书

本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种稀土离子掺杂光热敏折变激光玻璃陶瓷及其制备方法，实现PTR玻璃的功能扩展。本发明向光热敏折变玻璃中添加稀土氧化物制备激光玻璃陶瓷，其主要组分为SiO₂、Na₂O、Al₂O₃、ZnO、La₂O₃、NaF和KBr等，制备方法为：配料混料，经高温熔融、搅拌澄清、均化后，浇铸成型，成型后的玻璃进行退火处理，再经超短脉冲激光曝光后热处理，得到激光玻璃陶瓷样品。采用超短脉冲激光曝光稀土离子掺杂的PTR玻璃，可对玻璃的空间有选择性地进行结构改性，从而实现PTR玻璃的功能扩展；曝光后无需进行“两步法”热处理，只需要在结晶温度进行热处理即可，大大简化了制备工艺，且可得到能直接探测到的纳米结晶颗粒。

技术领域

本发明涉及一种激光玻璃陶瓷及其制备方法，具体涉及一种稀土离子掺杂光热敏折变激光玻璃陶瓷及其制备方法。

背景技术

光热敏玻璃是指在以硅酸盐为主体的玻璃内部添加对紫外光和温度敏感的某些添加剂，使该玻璃在紫外曝光和热处理后出现感光影像。

早在1947年美国康宁公司就首次发表了一篇关于成功制备光敏玻璃的报道。随后1950年该公司又报道了通过在硅酸盐玻璃中掺杂卤族元素来制备光致乳浊玻璃(PhotosensitivelyOpacifiable Glass)的研究。该光致乳浊玻璃的主要组成体系为SiO₂-Na₂O-Li₂O-Al₂O₃-ZnO-CeO₂-Ag-F，其在刚刚制备出炉时完全透明，但经过紫外(300-350nm)曝光及“两步法”热处理(第一步：升温至450-500℃，使Ag原子聚集成晶核；第二步：升温至500-550℃，促使微晶以银晶核为生长点，生长微晶)1～2个小时之后，紫外曝光区域会变成乳白色，造成该现象的主要原因是曝光区域内生长的大尺寸结晶颗粒对可见光产生了强烈的散射。该光致乳浊玻璃中的微晶成分主要为NaF、NaBr以及[LiO₂·SiO₂]。

1990年，Glebov等人又研制出了多色玻璃(Polychromatic Glasses)，但是该玻璃制备出的体布拉格光栅仍无法达到高衍射效率的要求。

随后Glebov等人制备了光热敏折变玻璃(Photo-Thermo-RefractiveGlasses)，即PTR玻璃，其具有良好的透光性、热稳定性以及良好的光热敏性，在经过紫外曝光和热处理后可产生NaF结晶颗粒，由于NaF的折射率(n＝1.32)要远远小于光热敏折变玻璃的折射率(n＝1.49)，并且结晶颗粒尺寸较小，在可见光区域不会产生强烈的散射现象，所以该玻璃不仅可以满足高折射率调制的要求，并且具有很高的透光率。在该玻璃上制备的体布拉格光栅的衍射效率可以高达98％，而且其激光损伤阈值可达10J/cm²。

基于PTR玻璃的全息光栅被广泛的应用于光纤激光器、固体激光器的输出镜、半导体激光器的光谱窄化和稳频、多波长光束合成、超短脉冲的展宽和压缩以及角选择近场滤波等激光技术领域。

在PTR玻璃中掺杂稀土离子(镱、钕、铒、铥、钬)，可以使其在具备光敏和光热敏折变的前提下兼备激光介质的增益特性，使其具有光谱发光和激光性能，将实现PTR玻璃的功能扩展，促使其向有源结构光功能器件、集成化光学器件方面发展。

固态激光器的激光工作物质主要有单晶和玻璃两类。其中单晶热导率高、增益高，但掺杂浓度低、制备成本高且工艺复杂；而玻璃具有制备工艺简单、成本低、荧光谱线宽、掺杂浓度高、可做成大尺寸等优点，但热导率低，抗热冲击性能较差。激光玻璃陶瓷作为介于陶瓷和玻璃之间的一种新型材料，集单晶及玻璃优势于一身，有望在微芯片激光器、光纤放大器和高功率二极管抽运固态激光器领域成为新一代的激光工作物质材料。