专利名称：一种聚光腔玻璃及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种功能材料，具体涉及一种激光器中玻璃聚光腔所用的可强烈吸收紫外光和1064nm红外光的玻璃材料组成及其制备方法。
背景技术：
掺钕钇铝石榴石晶体激光器(Nd:YAG激光器)由Nd:YAG激光晶体棒、激励光源、聚光器、冷却和滤光装置组成。Nd:YAG晶体吸收光谱中的主要吸收区为500-900nm，脉冲氪灯在此范围内的发光能量约占全部光能的50-60％。对Nd:YAG晶体材料来说，脉冲氪灯发出的波长小于400nm的紫外辐射对产生1064nm激光贡献不大，但却会使晶体发热或产生有害的色心，晶体工作温度过高时，会引起荧光发射的温度猝灭效应，也会引起晶体的光学均匀性变差，从而影响激光的产生。此外，由Nd:YAG激光晶体产生的1064nm的杂散光经聚光器反射回激光晶体棒中，产生退泵浦效应，影响激光的产生。因此应采用一定的方法滤掉紫外光和1064nm光。目前常用的方法有滤光液法和滤光玻璃法滤光液法以连续方式或重复脉冲方式工作的Nd:YAG激光器需要进行强制冷却，在流经晶体棒周围的冷却液中加入亚硝酸钠、重铬酸钾等盐类可以吸收紫外光。通常浓度为0.5-1.0％的重铬酸钾溶液基本上能滤掉波长小于400nm的紫外辐射。这种方法的缺点是滤光溶液易在棒表面和水管内沉积，致使器件效率下降，盐溶液对金属材料有一定腐蚀性。
滤光玻璃法将JB4或JB5型硒镉有色玻璃制成水冷套管或制成玻璃片放置于聚光器的灯与棒之间，JB4或JB5型硒镉有色玻璃在紫外吸收很强，基本上可以滤掉紫外光，但硒镉有色玻璃在近红外没有吸收带，无法吸收1064nm的杂散光。
发明创造内容本发明的目的是针对现有技术存在的以上问题，提供了一种新型的用于聚光腔的玻璃材料，该玻璃可强烈吸收紫外光和1064nm红外光，同时在可见光区域有较高透过率。
本发明提供的聚光腔玻璃，其为含有25-70wt％的稀土氧化物的硼硅酸盐玻璃，且满足以下性能要求T＜340nm＜1％，T650-860nm＞90％，T1064nm＜5％。
上述聚光腔玻璃中，所述稀土氧化物为25-70wt％的Sm2O3和外加的0.5-1.0wt％的CeO2。
上述聚光腔玻璃，基本由如下组分组成10-36wt％SiO2，5-15wt％B2O3，5-10wt％Al2O3，5-22.5wt％RO，RO为氧化锌与氧化钡的组合或氧化锌、氧化钡和氧化镁的组合，以及25-70wt％的稀土氧化物。
具体地，所述聚光腔玻璃由以下组分组成15.0-30.0wt％SiO2，10.0-15.0wt％B2O3，5.0-10.0wt％Al2O3，0-5.0％MgO，1.0-3.5wt％ZnO，1.0-14.0％BaO，以及30.0-61.5wt％的Sm2O3，外加0.5-1.0wt％的CeO2。
更具体的，所述聚光腔玻璃由以下组分组成30.0wt％SiO2，14.5wt％B2O3，5.0wt％Al2O3，3.0wt％ZnO，3.5wt％MgO，14.0wt％BaO，以及30.0wt％的Sm2O3，外加1.0wt％的CeO2。
本发明的另一目的是提供上述聚光腔玻璃的制备方法。
本发明所述聚光腔玻璃的制备方法，采用熔体冷却法，将含有上述组分的引入物原料充分混合后在1400-1550℃熔制3-8小时，浇铸退火而得到；所述引入物原料为氧化物、碳酸盐或硝酸盐。
依据以上技术方案，本发明的玻璃材料中含有高含量的Sm2O3和CeO2。稀土氧化物可以吸收紫外、可见、红外区的各种波长的光，含稀土氧化物的玻璃在上述波段存在一系列很窄的吸收峰，其中CeO2在紫外波段，Sm2O3在1064nm附近有强吸收峰。因此，本发明聚光腔玻璃在紫外(＜340nm)和1064nm处产生强烈吸收，而在可见光区域有较高透过率(约90％)，性能可达到T＜340nm＜1％，T650-860nm＞90％，T1064nm＜5％。因此，该玻璃材料可以直接用于制作Nd:YAG激光器的玻璃聚光腔，而不再需要其它滤光装置。
图1本发明制备的高稀土含量硼硅酸盐玻璃形成区域图；图2本发明实例1玻璃的透过率曲线；图3本发明实例2玻璃的透过率曲线。
具体实施例方式
本发明首先提供一种聚光腔玻璃，其为高稀土含量硼硅酸盐玻璃，其组成为10-36wt％的SiO2，5-15wt％的B2O3，5-10wt％的Al2O3，5-22.5wt％的RO，25-70wt％的稀土氧化物，所述稀土氧化物为CeO2和Sm2O3；其中R代表二价金属，具体为锌、钡、镁。
本发明玻璃材料中采用了大量稀土氧化物。稀土元素的4f轨道部分填充，4f电子亚层被5s5p电子亚层覆盖，使得外力的影响受到有效屏蔽。稀土离子能级是多重态分裂，能级和谱线比一般元素复杂得多，它可以吸收紫外、可见、红外区的各种波长的光。含稀土氧化物玻璃在上述波段存在一系列很窄的吸收峰，其中CeO2在紫外波段，Sm2O3在1064nm附近有强吸收峰。含大量稀土氧化物的无碱硼硅酸盐玻璃熔制温度高，高温粘度低，稀土离子具有高价高场强的特性，因而离子积聚力强易产生析晶。因此在玻璃组成中加入适量的SiO2提高熔体粘度，改善析晶性能。玻璃中还引入了Al2O3和ZnO，Al2O3和ZnO均有四配位和六配位，在有足够游离氧的条件下，可以生成比较稳定的铝氧四面体，而由于较强的极化作用，ZnO可能形成锌氧四面体，改善析晶性能。
本发明中的高稀土含量硼硅酸盐玻璃的制备方法可采用熔体冷却法，玻璃配合料引入物可为氧化物、碳酸盐或硝酸盐，配合料经充分搅拌，混合均匀，放入氧化铝坩埚或白金坩埚中，在1400-1550℃熔制3-8小时，并搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为1300-1450℃。本发明中的聚光腔玻璃成分中的SiO2、ZnO可提高玻璃耐酸的化学稳定性，Al2O3等成分可提高玻璃在水中的化学稳定性，该玻璃具有较大硬度，软化温度和转变温度较高，Tg约为600-700℃，膨胀系数约为55-75×10-7/℃，折射率较高约为1.52-1.65。
图1示出了本发明含稀土硼硅酸盐玻璃形成区域图，从中可知形成体SiO2和B2O3总含量不小于50mol％(换算成重量百分比约为20wt％)，否则将不能形成玻璃，稀土氧化物的最大掺入量约为33mol％(换算成重量百分比约为70wt％)，此时玻璃在紫外和1064nm处可产生强烈吸收。
实施例1称取二氧化硅30.0克，硼酸25.7克，氢氧化铝7.7克，碳酸钡18.0克，碱式碳酸镁8.8克，氧化锌3.0克，氧化钐30.0克，氧化铈1.0克(稀土氧化物采用3N级原料，纯度大于99.9％，其它引入物采用分析纯化学试剂)，将原料充分混合均匀，加入至温度为1450℃的氧化铝坩埚中，熔制时间为5小时，并搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为1350℃，退火温度为650℃，即可得到玻璃毛坯，再经精密加工制成椭圆柱体，并镀反射膜可以制成玻璃聚光腔。
该例聚光腔玻璃组成如下30.0wt％SiO2，14.5wt％B2O3，5.0wt％Al2O3，14.0wt％BaO，3.0wt％ZnO，3.5wt％MgO，30.0wt％Sm2O3，外加1.0wt％CeO2。其中B2O3用硼酸引入，Al2O3用氢氧化铝引入，BaO用碳酸钡引入，MgO用碱式碳酸镁引入，其余成分均用氧化物引入。图2为该玻璃(厚度＝2.0mm的玻璃样品)的透过率曲线，从该曲线可以看出，玻璃在紫外(＜340nm)和1064nm处产生强烈吸收，而在可见光区域有较高透过率(约90％)，其性能T＜340nm＜1％，T650-860nm＞90％，T1064nm＜5％。
实施例2称取二氧化硅36.5克，硼酸19.5克，氧化铝5.0克，碳酸钡18.0克，氧化镁5.0克，氧化锌3.5克，氧化钐25.0克，外加氧化铈0.5克(稀土氧化物采用3N级原料，纯度大于99.9％，其它引入物采用分析纯化学试剂)，将原料充分混合均匀，加入至温度为1500℃的氧化铝坩埚中，熔制时间为6小时，并搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为1400℃，退火温度为600℃，即可得到玻璃毛坯，玻璃精密加工方法同实例1。
该例聚光腔玻璃组成如下36.5wt％SiO2，11.0wt％B2O3，5.0wt％Al2O3，14.0wt％BaO，3.5wt％ZnO，5.0wt％MgO，25.0wt％Sm2O3，外加0.5wt％CeO2。其中B2O3用硼酸引入，BaO用碳酸钡引入，其余成分均用氧化物引入。图3为该玻璃的透过率曲线。从该曲线可以看出，玻璃在紫外(＜340nm)和1064nm处产生强烈吸收，而在可见光区域有较高透过率(约90％)。其性能T＜340nm＜1％，T650-860nm＞90％，T1064nm＜5％。
实施例3称取二氧化硅11.0克，硼酸23.3克，氧化铝9.5克，碳酸钡4.5克，氧化锌1.5克，氧化钐61.4克，氧化铈0.5克(稀土氧化物采用3N级原料，纯度大于99.9％，其它引入物采用分析纯化学试剂)，将原料充分混合均匀，加入至温度为1550℃的氧化铝坩埚中，熔制时间为3小时，并搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为1400℃，退火温度为600℃，即可得到玻璃毛坯，玻璃精密加工方法同实例1。
该例聚光腔玻璃组成如下11.0wt％SiO2，13.1wt％B2O3，9.5wt％Al2O3，3.5wt％BaO，1.5wt％ZnO，61.4wt％Sm2O3，外加0.5wt％CeO2。其中B2O3用硼酸引入，BaO用碳酸钡引入，其余成分均用氧化物引入。经测试，该玻璃其性能T＜340nm＜1％，T650 -860nm＞90％，T1064nm＜5％。
实施例4称取二氧化硅10.8克，硼酸9.2克，氧化铝8.9克，碳酸钡4.6克，氧化锌1.5克，氧化钐70.0克，外加氧化铈0.5克(稀土氧化物采用3N级原料，纯度大于99.9％，其它引入物采用分析纯化学试剂)，将原料充分混合均匀，加入至温度为1480℃的氧化铝坩埚中，熔制时间为8小时，并搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为1300℃，退火温度为600℃，即可得到玻璃毛坯，玻璃精密加工方法同实例1。
该例聚光腔玻璃组成如下10.8wt％SiO2，5.2wt％B2O3，8.9wt％Al2O3，1.5wt％ZnO，3.6wt％BaO，70.0wt％Sm2O3，外加0.5wt％CeO2。其中B2O3用硼酸引入，BaO用碳酸钡引入，其余成分均用氧化物引入。经测试，该玻璃其性能T＜340nm＜1％，T650 -860nm＞90％，T1064nm＜5％。
权利要求
1.一种聚光腔玻璃，其为含有25-70wt％的稀土氧化物的硼硅酸盐玻璃，且满足以下性能要求T＜340nm＜1％，T650-860nm＞90％，T1064nm＜5％。
2.根据权利要求1所述的聚光腔玻璃，其特征在于，所述稀土氧化物为25-70wt％的Sm2O3和外加的0.5-1.0wt％的CeO2。
3.根据权利要求1或2所述的聚光腔玻璃，其特征在于，基本由如下组分组成10-36wt％SiO2，5-15wt％B2O3，5-10wt％Al2O3，5-22.5wt％RO，RO为氧化锌与氧化钡的组合或氧化锌、氧化钡和氧化镁的组合，以及25-70wt％的稀土氧化物。
4.根据权利要求1或2所述的聚光腔玻璃，其特征在于，具体由以下组分组成15.0-30.0wt％SiO2，10.0-15.0wt％B2O3，5.0-10.0wt％Al2O3，0-5.0％MgO，1.0-3.5wt％ZnO，1.0-14.0％BaO，以及30.0-61.5wt％的Sm2O3，外加0.5-1.0wt％的CeO2。
5.根据权利要求1或2所述的聚光腔玻璃，其特征在于，具体由以下组分组成30.0wt％SiO2，14.5wt％B2O3，5.0wt％Al2O3，3.0wt％ZnO，3.5wt％MgO，14.0wt％BaO，以及30.0wt％的Sm2O3，外加1.0wt％的CeO2。
6.一种权利要求3所述聚光腔玻璃的制备方法，采用熔体冷却法，将含有所述组分的引入物原料充分混合后在1400-1550℃熔制3-8小时，浇铸退火而得到；所述引入物原料为氧化物、碳酸盐或硝酸盐。
7.根据权利要求6所述的聚光腔玻璃的制备方法，其特征在于，得到的所述聚光腔玻璃，应满足以下组分要求15.0-30.0wt％SiO2，10.0-15.0wt％B2O3，5.0-10.0wt％Al2O3，0-5.0％MgO，1.0-3.5wt％ZnO，1.0-14.0％BaO，以及30.0-61.5wt％的Sm2O3，外加0.5-1.0wt％的CeO2。
全文摘要
本发明公开了一种新型的用于聚光腔的玻璃材料，其为含有25－70wt％的稀土氧化物的硼硅酸盐玻璃，且满足以下性能要求T
文档编号C03C4/00GK1613805SQ20041009145
公开日2005年5月11日 申请日期2004年11月24日 优先权日2004年11月24日
发明者高祀建, 关铭, 刘峻, 朱永昌 申请人:中国建筑材料科学研究院