[发明专利]具有纯红光发光特性的特种光学玻璃及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种具有纯红光发光特性的特种光学玻璃及其制备方法和用途，属于特种光学玻璃材料技术领域。本发明的特种光学玻璃包括玻璃基质，以及在玻璃基质基础上外掺的还原剂和稀土氟化物；所述玻璃基质的化学组成为：a SiO₂‑bZnF₂‑cZnCl₂‑dLiF‑eMnF₂；式中，a，b，c，d，e为摩尔配比数，其取值分别为：a为40‑50mol.％，b为15‑20mol.％，c为10‑15mol.％，d为15mol.％，e为0‑15mol.％；还原剂的掺入量为0.05‑3.0mol.％，稀土氟化物掺入量为0.1‑2.0mol.％。本发明利用氟硅酸盐玻璃分相的特点，从不同维度对玻璃性能进行调控，最终获得兼具良好热力学稳定性和高发光效率的特种光学玻璃。本发明的特种光学玻璃实现了稀土离子纯红光发光，能够应用于玻璃/光纤显示、光纤温度传感和光动力治疗等领域。

技术领域

本发明涉及特种光学玻璃材料技术领域，具体涉及一种具有纯红光发光特性的特种光学玻璃及其制备方法和用途。

背景技术

稀土离子上转换发光是指当使用长波长的激发光泵浦稀土离子掺杂发光材料时，发射出波长短于激发光波长光的现象。然而，稀土离子能级非常丰富，在激发光源泵浦下的上转换发光过程中，通常同时可以发射出多个波长位置的光。因此调控稀土离子掺杂发光材料的上转换发光波段针对不同应用领域具有重要意义，尤其是在红光(600-700nm)和近红外(700-1100nm)光谱范围内，被称为生物组织的“光学窗口”，在高分辨生物成像和光动力治疗等领域具有重要的应用前景。

过渡金属Mn²⁺对于稀土离子(Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺等)的上转换发光具有良好的调控性，归因于稀土离子与Mn²⁺:⁴T₁能级之间的有效的非辐射能量传递过程，可以使得稀土离子短波长的上转换发光有效的被抑制，表现出纯色的长波长发光。已有研究报道的使用Mn²⁺调控稀土离子纯色上转换发光材料主要为上转换纳米晶材料，如稀土离子掺杂包含Mn²⁺上转换纳米晶体(如KMnF₃)，然而纳米晶体制备过程相对复杂，成本较高，同时纳米晶的可塑性较低，很难制备出大尺寸单片光学器件或拉制光纤，极大地限制了它们在传感、光纤通讯以及光学仪器开发等方面的应用(Juan Wang,Feng Wang,Chao Wang,Zhuang Liu andXiaogang Liu,Single-band upconversion emission in lanthanide-dopedKMnF₃nanocrystals,Angew.Chem.,2011,123,10553-10556)。

一般情况下，上转换玻璃的发光效率和热力学稳定性是相互矛盾的。热力学性能较好的硅酸盐玻璃网络中，氧化物化学键的振动能量较大，使得玻璃网络的声子能量增大，非辐射跃迁几率增大，从而导致掺杂稀土离子上转换发光效率很低。

尽管已有大量的稀土离子掺杂上转换发光多组分玻璃的相关研究和专利，但几乎所有报道的均为多色共存的上转换发光，如目前商用的稀土离子Er³⁺掺杂的ZBLAN氟化物玻璃，其上转换发光为蓝光、绿光和红光共存。

专利CN110040967A公开了一种具有单色上转换发光特性的透明微晶玻璃的制备方法，虽综合了玻璃相和晶体相的双重优势，实现了稀土离子单色上转换发光。但是，由于玻璃体内纳米晶的生成，不但增加了制备的难度，还不可避免的引起了散射损耗的增加。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种具有纯红光发光特性的特种光学玻璃及其制备方法。本发明利用氟硅酸盐玻璃分相的特点，从不同维度对玻璃性能进行调控，最终获得兼具良好热力学稳定性和高发光效率的特种光学玻璃。本发明的特种光学玻璃具有纯红光发光特性，能够应用于玻璃/光纤显示、光纤温度传感和光动力治疗等领域。