专利名称：含高价阳离子氧化物的掺Yb的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种含高价阳离子氧化物的掺Yb3+离子氟磷酸盐激光玻璃材料的制造方法，属于光学玻璃新材料领域。
背景技术：
氧化物玻璃具有良好的透光性、高均匀性、低成本和容易制备成型等优点，非常适合作为稀土离子掺杂的激光介质材料。其中掺钕离子氧化物玻璃是目前研究开发最广泛的激光玻璃，掺钕离子的硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐、锗酸盐和熔石英玻璃等都已实现了激光输出，并且掺钕硅酸盐和磷酸盐玻璃已成为实用的激光玻璃。但掺钕激光玻璃存在许多问题，如发光波长不能与新型激光二极管相匹配，荧光寿命短，增益系数低，材料热负荷大，而掺Yb3+激光玻璃能克服这些缺点。Yb3+离子电子构型为4f13，只有两个能级状态，即上能级2F5/2和下能级2F7/2，Yb3+离子的吸收峰位于970nm附近，能与InGaAs二极管泵浦波长(900-1100nm)有效耦合；另外Yb3+离子理论上不存在交叉驰豫和激发态吸收，可大大降低材料的热负荷，并使材料具有很高的能量转换效率和长的荧光寿命。
新一代激光核聚变用的激光玻璃要求受激发射截面σemi高、荧光寿命长、非线性折射率n2低、同时又要具有良好的热-机械性能等，邹学禄(参见文献Zou Xuelu，Hisayoshi Toratani，Physical Review B，1995，52(22)15889~15897)等人研制的掺镱玻璃含有较多氧化铌，因此具有较高的受激发射截面σemi，但其非线性折射率n2较高。现在研究较多的掺Yb3+离子磷酸盐玻璃，其热-机械性能较差，很难实现大规模工业化生产。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述材料的不足，制备具有高受激发射截面σemi，长荧光寿命τ，低非线性折射率n2，和优良热-机械性能的掺Yb3+离子氟磷酸盐系统激光玻璃。
含高价阳离子氧化物的掺Yb3+离子氟磷酸盐激光玻璃，其基础玻璃材料组成为P2O5-Al2O3-Nb2O5-MF-RF2，其中M为Li和/或Na，R为Mg和/或Ca，发光物质为Yb2O3，具体组成摩尔百分数为P2O5(44～48)，Al2O3(7)，Nb2O5(0.8～4)，LiF(0～10)，NaF(0～10)，MgF2(0～24)，CaF2(0～24)，Yb2O3为(1)。玻璃熔化温度为1280-1350℃，保温1小时，退火温度为520℃，保温1小时。
含高价阳离子氧化物的掺Yb3+离子氟磷酸盐激光玻璃的制造方法，按配比称取磷酸氢二氨、氧化铝、五氧化二铌、氟化锂、氟化钠、氟化镁、氟化钙、三氧化二镱等原料，混和制成均匀的配合料，将配合料放入刚玉坩锅内，在1280～1350℃熔融保温1小时后，浇注成形，在520℃左右保温退火1小时。
本发明的制造方法，通过调整P2O5和碱金属或碱土金属氟化物的含量以确保玻璃材料具有较好的光学和热-机械性能，通过加入少量Nb2O5和氟化物，使玻璃具有较高的受激发射截面σemi，同时又不至于引起非线性折射率n2的升高。
由本发明提供的方法制备的掺Yb3+离子氟磷酸盐激光玻璃材料在25～300℃温度范围内的热膨胀系数为63.7～85.6×10-7℃-1，1005nm处的受激发射截面σemi为0.620～1.065pm2，荧光寿命τ为730～1100μs，非线性折射率n2为1.12～1.28×10-13esu，增益系数σemi·τ为0.598～1.135pm2·ms。该玻璃具有较好的光学均匀性，是一类具有广泛应用前景的实用光学玻璃新材料。
由本发明所制得玻璃的主要性能如表1所示表1 本发明所提供的玻璃性能
具体实施例方式
实施例1玻璃组成(mol％)为P2O5Al2O3Nb2O5LiF NaF MgF2Yb2O3447 4 10 10 241以磷酸氢二氨、氧化铝、五氧化二铌、氟化锂、氟化钠、氟化镁、三氧化二镱为原料，按上述组分称量、混和均匀，然后在加热到1350℃的电炉中保温1小时，将熔制好的玻璃液在模具中快速冷却形成块状基础玻璃，送入520℃的退火炉中退火，保温1个小时，然后冷却至室温即成掺Yb3+离子氟磷酸盐系统激光玻璃材料。其热膨胀系数为66.8×10-7℃-1，抗弯强度为92.2MPa，非线性折射率n2为1.15×10-13esu，受激发射截面σemi为0.915pm2，荧光寿命τ为870μs，增益系数σemi·τ为0.796pm2·ms，其它性能如表1所示。
实施例2玻璃组成(mol％)为P2O5Al2O3Nb2O5LiF NaF CaF2Yb2O3447 4 10 10 241以磷酸氢二氨、氧化铝、五氧化二铌、氟化锂、氟化钠、氟化钙、三氧化二镱为原料，按上述组分称量、混和均匀，然后在1320℃的电炉中保温1小时，将熔制好的玻璃液在模具中快速冷却形成块状基础玻璃，送入520℃的退火炉中退火，保温1个小时，然后冷却至室温即成掺Yb3+离子氟磷酸盐系统激光玻璃材料。其热膨胀系数为72.1×10-7℃-1，抗弯强度为56.19MPa，非线性折射率n2为1.17×10-13esu，受激发射截面σemi为0.947pm2，荧光寿命τ为730μs，增益系数σemi·τ为0.691pm2·ms，其它性能如表1所示。
实施例3玻璃组成(mol％)为P2O5Al2O3Nb2O5LiF CaF2MgF2Yb2O3447 4 10 20141以磷酸氢二氨、氧化铝、五氧化二铌、氟化锂、氟化钙、氟化镁、三氧化二镱为原料，按上述组分称量、混和均匀，然后在1300℃的电炉中保温1小时，将熔制好的玻璃液在模具中快速冷却形成块状基础玻璃，送入520℃的退火炉中退火，保温1个小时，然后冷却至室温即成掺Yb3+离子氟磷酸盐系统激光玻璃材料。其热膨胀系数为63.7×10-7℃-1，抗弯强度为46.9MPa，非线性折射率n2为1.12×10-13esu，受激发射截面σemi为1.065pm2，荧光寿命τ为940μs，增益系数σemi·τ为1.001pm2·ms，其它性能如表1所示。
实施例4玻璃组成(mol％)为P2O5Al2O3Nb2O5NaF CaF2MgF2Yb2O3447 4 10 20141以磷酸氢二氨、氧化铝、五氧化二铌、氟化钠、氟化钙、氟化镁、三氧化二镱为原料，按上述组分称量、混和均匀，然后在1280℃的电炉中保温1小时，将熔制好的玻璃液在模具中快速冷却形成块状基础玻璃，送入520℃的退火炉中退火，保温1个小时，然后冷却至室温即成掺Yb3+离子氟磷酸盐系统激光玻璃材料。其热膨胀系数为73.5×10-7℃-1，抗弯强度为56.94MPa，非线性折射率n2为1.1 3×10-13esu，受激发射截面σemi为1.032pm2，荧光寿命τ为1100μs，增益系数σemi·τ为1.135pm2·ms，其它性能如表1所示。
实施例5玻璃组成(mol％)为P2O5Al2O3Nb2O5LiF NaF MgF2CaF2Yb2O3447 4 11 11 11111以磷酸氢二氨、氧化铝、五氧化二铌、氟化钠、氟化钠、氟化钙、氟化镁、三氧化二镱等为原料，按上述组分称量、混和均匀，然后在1300℃的电炉中保温1小时，将熔制好的玻璃液在模具中快速冷却形成块状基础玻璃，送入520℃的退火炉中退火，保温1个小时，然后冷却至室温即成掺Yb3+离子氟磷酸盐系统激光玻璃材料。其热膨胀系数为76.7×10-7℃-1，抗弯强度为77.56MPa，非线性折射率n2为1.16×10-13esu，受激发射截面σemi为0.704pm2，荧光寿命τ为850μs，增益系数σemi·τ为0.598pm2·ms，其它性能如表1所示。
实施例6
玻璃组成(mol％)为P2O5Al2O3Nb2O5LiF NaF MgF2CaF2Yb2O347.2 7 0.811 11 11111以磷酸氢二氨、氧化铝、五氧化二铌、氟化钠、氟化钠、氟化钙、氟化镁、三氧化二镱为原料，按上述组分称量、混和均匀，然后在1300℃的电炉中保温1小时，将熔制好的玻璃液在模具中快速冷却形成块状基础玻璃，送入520℃的退火炉中退火，保温1个小时，然后冷却至室温即成掺镱氟磷酸盐系统激光玻璃材料。其热膨胀系数为85.6×10-7℃-1，抗弯强度为46.45MPa，非线性折射率n2为1.28×10-13esu，受激发射截面σemi为0.731pm2，荧光寿命τ为940μs，增益系数σemi·τ为0.687pm2·ms，其它性能如表1所示。
实施例7玻璃组成(mol％)为P2O5Al2O3Nb2O5LiF NaF MgF2CaF2Yb2O346.4 7 1.611 11 11111以磷酸氢二氨、氧化铝、五氧化二铌、氟化钠、氟化钠、氟化钙、氟化镁、三氧化二镱为原料，按上述组分称量、混和均匀，然后在1300℃的电炉中保温1小时，将熔制好的玻璃液在模具中快速冷却形成块状基础玻璃，送入520℃的退火炉中退火，保温1个小时，然后冷却至室温即成掺镱氟磷酸盐系统激光玻璃材料。其热膨胀系数为78.2×10-7℃-1，抗弯强度为61.18MPa，非线性折射率n2为1.14×10-13esu，受激发射截面σemi为0.620pm2，荧光寿命τ为1100μs，增益系数σemi·τ为0.682pm2·ms，其它性能如表1所示。
权利要求
1.含高价阳离子氧化物的掺Yb3+离子氟磷酸盐激光玻璃，其特征在于其基础玻璃材料组成为P2O5-Al2O3-Nb2O5-MF-RF2，其中M为Li和/或Na，R为Mg和/或Ca，发光物质为Yb2O3，具体组成摩尔百分数为P2O544～48，Al2O37，Nb2O50.8～4，LiF0～10，NaF0～10，MgF20～24，CaF20～24，Yb2O31。
2.含高价阳离子氧化物的掺Yb3+离子氟磷酸盐激光玻璃的制造方法，其特征在于按权利要求1所述配比称取磷酸氢二氨、氧化铝、五氧化二铌、氟化锂、氟化钠、氟化镁、氟化钙、三氧化二镱，混和制成均匀的配合料，将配合料放入刚玉坩锅内，在1280～1350℃熔融保温1小时后，浇注成形，在520℃左右保温退火1小时。
全文摘要
含高价阳离子氧化物的掺Yb
文档编号C03B19/00GK101024552SQ20071003438
公开日2007年8月29日 申请日期2007年2月5日 优先权日2007年2月5日
发明者卢安贤, 刘树江, 张小富, 肖卓豪, 李秀英, 王宇, 卢子祺 申请人:中南大学