[发明专利]透明玻璃陶瓷

说明书

发明领域

本发明涉及光学有源玻璃陶瓷制品，尤其是光波导放大器或激光器。

发明背景

氟化物玻璃，尤其是美国专利No.4,674,835(Mimura et al)中的含有重金属离子的氟化物玻璃存在某些不利的特性，从而限制了其应用，其抗失透的性能差，结晶问题以及由此产生的光散射问题，以及形成大的预制件过程中的问题。在预制件的生产过程中，在芯部和包层之间的界面处的结晶会在最常用的制备光导纤维的方法中产生问题，因为极易产生不均匀成核，其结果是在芯部和包层的界面处形成结晶，尤其在拉制光导纤维过程中。得到的纤维因纤维中的晶体而有严重的散射损失。

当将造成芯部和包层的折射率的差所需的离子加入玻璃组合物时，玻璃的失透现象会加剧。外加掺入杂质时，如掺入稀土金属离子时，还会降低玻璃的稳定性。

Y.Wang和J.Ohwaki在“New Transparent VitroceramicsCodoped with Er³⁺ and Yb³⁺ for Efficient FrequencyUpconversion”,Applied Physics Letters,63(24),3268-3270,December 13,1993中报道的玻璃陶瓷明显在透明度方面有改善。

基于这些结果，我们假设，如果该玻璃陶瓷如上所述是透明的，那么它们也可以用作放大器和/或激光设备中的基质。然而，我们意识到，如果玻璃陶瓷材料要作为1.3微米放大器器件的可行的基质，那么应从组合物中去除Yb，因为Pr(一种在这类器件的材料中常用的元素)会轻易地将电子转移给Yb，而该转移会使器件的效率下降。

因此，本发明的主要目的是开发一种掺有Pr时能够表现出1.3微米放大器的基质所需的出色性能的玻璃陶瓷材料。

本发明的另一个具体目的是开发光学纤维波导，它包括作为高折射率芯部的该玻璃陶瓷以及包围芯部的低折射率材料的包层。

发明概述

在我们的最初的实验研究中，我们发现，当从Wang等人的组合物中去除YbF³时，得到的玻璃在热处理是不会在原位适当地结晶以得到大小相对均一、分散均匀、颗粒非常精细的晶体从而产生透明材料。换言之，得到的材料并不表现出玻璃陶瓷本体所特有的受控的结晶。对该材料的X-射线衍射分析发现，当原始玻璃暴露于450-500℃的温度时没有析晶峰，而且进一步的热处理也没有产生透明的玻璃陶瓷本体。这种现象表明，在晶相的形成中Yb起着重要的作用，一种Wang等人没有认识到的作用。

进一步的实验研究发现，YbF₃可以用下列两种方法加以替换而不会改变Wang等人的玻璃的基本结晶特性或其晶相：用YF₃和CdF₂的混合物(浓度大于Wang等人的玻璃中的浓度)替换YbF₃，或者用YF₃和ZnF₂的混合物替换YbF₃。在这两种发现的基础上，有两类下列的以阳离子百分比表示的组合物可以用作基础玻璃：

          玻璃Ⅰ(A)             玻璃Ⅱ(B)

SiO₂   30     PbF₂   22    SiO₂   30     PbF₂   17

AlO_1.5  15     YF₃    4     AlO_1.5  15     YF₃    4

CdF₂   29                   CdF₂    29    ZnF₂    5当掺入900ppm(重量)之内的Pr时，每种基础玻璃都产生高光学透明度的玻璃陶瓷材料。此外，当掺入5摩尔％之内的LuF₃时，也得到了高光学透明度的玻璃陶瓷。