专利名称：透明玻璃陶瓷的制作方法
技术领域：
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)SiO230 PbF222 SiO230 PbF217AlO1.515YF34 AlO1.515 YF34CdF229CdF229 ZnF25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。
经确定，为了保证在原位产生合适的结晶从而产生具有光学清晰的透明玻璃陶瓷材料，需要存在至少3阳离子％的YF3。尽管两种基础玻璃组合物都能令人满意地使用，但是含有ZnF2在某种程度上会改进玻璃的熔融和结晶性能；因此，优选含有ZnF2的玻璃。在含有ZnF2的组合物中，CdF2的含量为约21-31阳离子％。当ZnF2不存在时，CdF2的含量为约19-34阳离子％。在含有ZnF2的组合物中，PbF2的含量为约15-25阳离子％。当ZnF2不存在时，PbF2的含量为约19-23阳离子％。
为了确定是否可以对基础玻璃进行添加和/或替换，对各种组合物组进行了试验。通常采用的方法包括用氟化物替换氟化物，用氧化物替换氧化物，从而维持相对恒定的阴离子比例。需要满足下列两个基本标准(1)玻璃会在原位结晶，形成基本上含有一种晶相而且最好能够接受一些稀土金属掺入的玻璃陶瓷；和(2)玻璃陶瓷具有高光学透明度。
这些试验表明，B2O3，GeO2，P2O5和在较低程度下TiO2都能够被替换入氧化物组合物，而不会对玻璃的结晶行为产生不利影响。GaF3，HfF4和InF3可以替换入氟化物组合物中。碱金属和碱土金属的氧化物和氟化物当玻璃熔融体冷却时会引起失透。含有LaF3的组合物不能很好地熔融，它甚至在1200℃也不能熔融。其他的稀土金属表现出不同的影响。例如，LuF3在含量高达5摩尔％时满足上述的两个标准；含有GdF3的组合物在原位以两种晶相形式结晶；而含有CeF3的熔融体在冷却时会自发地失透。最后，某些CdS可以替换CdF2。
通过我们的实验研究，我们发现，基本上不含有ZnO和ZnF2、能够在原位结晶从而形成具有高光学透明度且基本上只含有一种晶相的玻璃陶瓷材料的原始玻璃，可以用基本上由下列用阳离子百分比表示的组份构成的组合物制备SiO220-35 PbF219-23AlO1.510-20YF33-7CdF219-34当原始玻璃含有3-7阳离子％ZnF2时，表现出高光学透明度和基本上仅含有一种晶相的玻璃陶瓷材料可以用基本上由下列用阳离子％表示的组份构成的组合物制备SiO220-35PbF215-25AlO1.510-20 YF33-7CdF221-31ZnF23-7词语“基本上不含有”意指玻璃不含有足以改变玻璃的化学和/或物理性能的数量的ZnF2。优选地，ZnF2完全不存在，但是这总是不可能的，因为玻璃原料(包括加入原料的碎玻璃)中会含有作为杂质的ZnF2。
词语“基本上仅有一种晶相”意指玻璃陶瓷不含有足量的第二种晶相以改变玻璃陶瓷的化学和/或物理性能，尤其是其光学透明度。同样，最佳地是指第二种晶相一点都不存在。当含有稀土金属离子以替换钇时，稀土金属离子会存在于晶相中。
在本说明书和权利要求书中，词语“基本上由……构成”和“基本上含有……”都允许含有少量的、不会损害原始玻璃和/或最终的玻璃陶瓷的性能的无机组份。
在两种上述的组合物中，可以存在总计17阳离子％之内的下列比例的组份，这些组份选自0-7％BO1.5，0-12％GeO2，0-7％PO2.5，0-3％TiO-2，0-7％GaF3，0-7％HfF4，0-7％InF3，0-5％LuF3，0-3％CdCl2，和0-5％CdS。
对本发明的玻璃进行差示扫描量热法(DSC)测量表明，对于绝大多数组合物在400℃附近存在转变温度而且在450℃以上存在尖锐的结晶峰。先在DSC曲线上观察到结晶峰的位置后，将玻璃暴露于峰附近的温度，从而确定将原始玻璃转变为玻璃陶瓷所需的热处理的温度。暴露的时间长短取决于相对结晶峰而采用的温度。众所周知，温度愈高，结晶发生得愈快。因此，暴露的时间当在高温下可以短至几分钟，而在低于结晶峰的温度下可以长至数小时。然而，因为在较低的温度下晶体的生长可以更好地加以控制，以保证形成均一的、颗粒非常精细的晶体，因此可以采用在稍低于结晶峰的条件下热处理2-8小时，而约4小时是有利的。
X-射线衍射分析表明存在一种没有明确鉴定的晶相。该晶相结构被假定为是M(1-x)(Y，Ln)xF2＋x的衍生物，其中M包括Pb和/或Cd，或者是(Pb，Cd)LnF3＋x的衍生物，其中每一种都类似萤石的立方晶体。(Ln指镧系的一种稀土金属。)在任一种情况下，都表明了稀土金属离子在晶体中位置。
X-射线衍射分析还表明，晶体的尺寸为约100-300埃(10-30纳米，0.01-0.03微米)，而且材料的晶体含量为约23-30体积％。这些数据被透射电子显微图所证实。
本发明的玻璃陶瓷材料在25-300℃温度范围内的线性热膨胀系数经测量为约95-112×10-7/℃。玻璃陶瓷的密度为约5.7-5.9g/cm3而折射率为约1.74-1.76。
当掺入Pr时，荧光寿命超过100微秒是普遍的，而且某些例子中高达约160微秒，这些数值比掺入Pr3+的ZBLAN高出50％。
作为掺入剂，Pr是有吸引力的，因为它的电子跃迁在1300纳米附近，所以适合制作1300纳米电讯窗口的光放大器。而且已有可靠的泵浦激光器。
已发现，当Pr3+在基础玻璃中的浓度高达约500ppm(重量)(缩写为ppmw)时，荧光寿命大于120微秒。稍高于5000ppmw便有淬灭效应，而寿命基本上是线性下降至900ppmw时的约70微秒。
因此，下面描述的具有创造性的玻璃陶瓷和相容的包层或包复玻璃可用于制造光学有源器件，其中包括光放大器或激光器。这些光学有源器件包括伸长的中心元件及相容的包层或包复玻璃，该元件基本上由A或B基础玻璃构成，而包层玻璃的组成基本如下，以氧化物的重量百分比表示SiO223-30 B2O31-10 Al2O30-3PbO49-60 Li2O 0-1Na2O 0-2K2O 5-11BaO 0-8中心元件也可由金属氧化物和金属氟化物制成，它们选自下组0-7％BO1.5，0-12％GeO2，0-7％PO2.5，0-3％TiO2，0-2％Nb2O5，0-7％GaF3，0-7％HfF4，0-7％InF3，0-5％LuF3，0-1％LaF3，0-3％CdCl2，和0-5％CdS，它们被用来替换基础玻璃中的氧化物和氟化物。约17阳离子％的总替换量是可接受的。一般，用氧化物替换氧化物，用氟化物替换氟化物。
本发明的另一方面是一种制备光学有源器件的方法。在该方法中遇到的主要困难是在成型步骤中避免形成晶体。上述的中心元件玻璃在成型步骤中会形成晶体，如果玻璃在靠近峰结晶温度的温度下时间过长的话。
因此，如果使用双坩埚技术，那么具有中心元件和包层的长玻璃制品必须快速冷却至低于峰结晶温度的某个温度。该温度随中心元件玻璃组成有所不同，但是可通过DSC或本领域熟知的其他方法确定。一般，峰结晶温度在约400-500℃之间。双坩埚技术是本领域中已知的，而且在许多文献中有描述，例如“Fabrication of Long SingleMode and Multimode Fluoride Glass Fibers by the Double CrucibleTechnique”，Tokiwa et al.，Electronics Letters，#24，V.21，1985。
可以通过在约1分钟内，将双坩埚中形成的长玻璃制品冷却至低于峰结晶温度的某个温度而抑制不利的晶体生长。
如果使用挤出技术，那么玻璃制品不需要骤冷，因为挤出可在低于或等于约109.5泊的粘度下进行，该粘度比可形成晶体的粘度高约一个数量级。
挤出技术也是本领域中熟知的，例如参见“Shaping of GlassMelts by Continuous Pull Extrusion”，Rammoet al.，Glastechnis-che Berichte，#3，V.67，1994。
如果在挤出后还需要对玻璃制品进行成型处理，那么需要增加加热和淬火步骤。
一旦玻璃制品已经形成其最终形状，就可在峰结晶温度处或附近进行结晶化过程(注意，此处所说的结晶化等于将玻璃转变成玻璃陶瓷)。该温度是有利的，因为在此温度下人们可以控制晶体的大小、数目和间隔。因此，优选的温度一般是约400-500℃，而在该温度下的时间为0.5-24小时不等。人们可以选择一个所需的结晶化在2-8小时完成的温度。
光学有源玻璃陶瓷制品的末端是裸露的以便中心元件能接受信号。中心元件是制品的光学有源部分。用作光放大器时，泵浦光或信号光可通入中心元件然后在通过中心元件后被接收。如果用作激光器，则泵浦光可注入中心元件，而使激光从一个或两个末端中射出。优选实施例的描述表I记录了许多以阳离子％表示的玻璃组合物，这些组合物阐明了根据实验室的研究而得到的本发明。用纯氧化物、氟化物、氯化物和硫化物制备批量为25克的配合料，手工将各组份混合在一起，然后加入30cm3的铂坩埚中。
以前的试验已确定，优选的PrF3的浓度为约200-500ppmw。在这些试验熔融体中，各配合料都掺入200ppm PrF3。将坩埚转移至炉中，在1000-1200℃操作半小时。所有的化合、混合和熔融都于手套箱中在于氮气氛下进行。尽管这些玻璃并不需要在惰性条件下熔融，但是，因为有高浓度的镉，所以出于安全性的考虑导致在实践中将熔融体限定在箱内。
在熔融后，大多数组合物是清澈的、中等流体状、静态的液体。当倾倒在不锈钢坯上时，得到的板会碎成小碎块，破碎的原因据推测是由于在其中形成了一些晶体。可以浇铸更大的、尺寸为5×1×1的板块而不破裂，这种能力被认为是由于制品的体积较大时在冷却过程中会受到部分退火。当材料要被切割和抛光以供测试时，需要更充分的退火。
如上，在DSC曲线上确定结晶峰的位置后，确定施加于各种玻璃的结晶热处理温度。玻璃样品被加热至峰附近的温度，暴露的时间长短取决于相对峰结晶温度而采用的热处理温度。
在表I中玻璃组合物是在基础玻璃A和B中替换不同的组份(用阳离子％表示)而形成的。如上所述，结晶热处理温度包括约以结晶峰为中心的温度范围。因为组合物中的每个变化都会使Tg和玻璃的结晶峰发生漂移，因此每种材料的热处理都有所不同。以℃表示的每种组合物的热处理范围包括从结晶峰开始到结束之间的温度。某些组合物的热处理温度范围的宽度记录在表I中。最后，还记录了结晶产物是否表现出所需的光学透明性以及是否含有颗粒极精细的单结晶相(是/否)。
表 I实施例 基础玻璃替换 热处理 产物1002-27-11 B无 442-463有1002-31-42 A无 455-466有1002-3-33 A7.5ZnO替换Al2O3无1002-7-24 A5LiF替换PbF2无1002-7-35 A5NaF替换PbF2无1002-7-46 A5ZrF4替换PbF2无1002-7-57 A5HfF4替换PbF2有1002-7-68 A5SnF2替换PbF2无1002-7-79 A5SnO替换SiO2无1002-7-810 A5ZrO2替换SiO2无1002-7-911 A2.5Ta2O5替换SiO2无1002-9-112 A2.5Nb2O5替换SiO2无1002-9-313 A5GaF3替换PbF2有1002-11-114 A2GdF3替换PbF2有1002-11-315 A5LuF3替换PbF2有1002-11-416 A2InF3替换PbF2439-456有1002-11-517 A2NbO2.5替换PbF2410-451有1002-11-718 A5PO2.5替换SiO2461-477有934-149-519 B5RbF替换ZnF2无934-149-620 B5SrF2替换ZnF2无934-149-721 B5BaF2替换ZnF2无934-149-822 B5CaF2替换ZnF2无934-149-923 B5LaF3替换ZnF2无934-151-124 B5InF3替换ZnF2469-492有934-151-225 A5BO1.5替换AlO1.5403-420有934-151-326 A10GeO2替换SiO2465-479有934-151-527 A2.5CdS替换CdF2448-461有934-151-628 A1TiO2替换SiO2445-458有1002-55-529 B3CdCl2替换CdF2440-460有对基础玻璃B进行了化学分析。其配合料在铂坩埚中于1000℃熔融30分钟。
元素配合料，重量％熔体，重量％Si 6.9 5.3Al 3.3 3.6
Cd 26.7 28.9Pb 28.9 30.6Y2.9 3.3Zn 2.7 3.0F17.8 12.8这些数据意味着，基本上只有Si和F在熔融过程中损失。因为F/Si的损失比例约为4，所以可以合理地认为，在该熔融条件下SiF4是主要的挥发性产物。
本发明的玻璃良好的抗失透性使得可以生产大预制件。因此，在最常用的制备光学纤维波导管的方法中可以避免在生产预制件过程中在芯部和包层之间的界面发生结晶。这种特性导致的研究已发现，具有比本发明的玻璃陶瓷更小的折射率，但是又表现出与本发明的原始玻璃和玻璃陶瓷相容的线性热膨胀系数、转变温度和粘度性能的包层玻璃，从而可以制造光学纤维波导管。
我们在K2O-PbO-B2O3-SiO2体系中发现了一族具有必要的性能的玻璃。它们具有1.67-1.73的折射率，在25-300℃温度范围内线性热膨胀系数为98-110×107/℃，转变温度为390-425℃，而软化点为475-525℃。
可行的玻璃组合物范围列于下面，以氧化物的重量百分比表示SiO223-30 B2O31-10 Al2O30-3PbO49-60 Li2O 0-1Na2O 0-2K2O 5-11BaO 0-8以氧化物的重量百分比表示的可行的玻璃组合物的例子列于下表II中。还列出了折射率(η)，在25-300℃温度范围内以×10-7/℃表示的线性热膨胀系数(Exp)，以℃表示的软化点(S.P.)和转变温度(Tg)。
配合料的成分以1000克的批量进行混合，在湍动混料器中充分混合，再倒入铂坩埚。将坩埚转移至1200℃的炉中，配合料熔融3小时。将熔融体夹心式地混合，然后倒在钢板上形成尺寸约为6″×6″×0.5″(约15×15×1.25厘米)的玻璃片。最后，玻璃片在400℃退火。
表II
在玻璃中含有Sb2O3，以发挥澄清剂的常规作用。应理解，可以用其他澄清剂如As2O3，卤化物和硫酸盐加以替换。也应看出，可以用少量的Li2O和/或Na2O替换K2O。这种替换可以改进玻璃的化学稳定性。同样，少量BaO可以替换PbO以改变玻璃的折射率。
最佳透明玻璃陶瓷是掺入约200-500ppmw PrF3的玻璃B。
权利要求
1.一种光学有源玻璃陶瓷制品，其特征在于，包括具有第一末端和第二末端的长中心元件，该中心元件由透明的、基本不含ZnO和ZnF2、并具有高光学透明度的玻璃陶瓷构成，该玻璃陶瓷基本上仅含有由下列以阳离子百分比表示的组份构成的一种晶相SiO220-35PbF219-23AlO1.510-20YF33-7CdF219-34而且PrF+3的浓度为约50-650ppm；以及覆盖该长中心元件的但露出该第一末端和第二末端的透明玻璃，该透明玻璃基本上由下列以氧化物的重量百分比表示的组份构成SiO223-30B2O31-10Al2O30-3 PbO 49-60Li2O 0-1 Na2O0-2K2O 5-11 BaO 0-8
2.如权利要求1所述的光学有源玻璃陶瓷制品，其特征在于，PrF+3的浓度为约200-550ppmw。
3.如权利要求2所述的光学有源玻璃陶瓷制品，其特征在于，在该中心元件中还含有总计17阳离子％之内的至少一种下列的组份，这些组份选自0-7％BO1.5，0-12％GeO2，0-7％PO2.5，0-3％TiO2，0-2％Nb2O5，0-7％GaF3，0-7％HfF4，0-7％InF3，0-5％LuF3，0-1％LaF3，0-3％CdCl2，和0-5％CdS。
4.如权利要求2所述的光学有源玻璃陶瓷制品，其特征在于，该光学有源玻璃陶瓷制品是光导纤维放大器。
5.一种光学有源玻璃陶瓷制品，其特征在于，包括具有第一末端和第二末端的长中心元件，该中心元件由透明的、并具有高光学透明度的玻璃陶瓷构成，该玻璃陶瓷基本上仅含有由下列以阳离子百分比表示的组份构成的一种晶相SiO220-35PbF215-25AlO1.510-20YF33-7CdF221-34ZnF23-7而且PrF+3的浓度为约50-650ppm；以及覆盖该长中心元件的但露出该第一末端和第二末端的透明玻璃，该透明玻璃基本上由下列以氧化物的重量百分比表示的组份构成SiO223-30B2O31-10Al2O30-3 PbO49-60Li2O 0-1 Na2O 0-2K2O5-11 BaO0-8
6.如权利要求5所述的光学有源玻璃陶瓷制品，其特征在于，在该中心元件中还含有总计17阳离子％之内的至少一种下列的组份，这些组份选自0-7％BO1.5，0-12％GeO2，0-7％PO2.5，0-3％TiO2，0-2％Nb2O5，0-7％GaF3，0-7％HfF4，0-7％InF3，0-5％LuF3，0-1％LaF3，0-3％CdCl2，和0-5％CdS。
7.如权利要求6所述的光学有源玻璃陶瓷制品，其特征在于，该光学有源玻璃陶瓷制品是光导纤维放大器。
8.如权利要求6所述的光学有源玻璃陶瓷制品，其特征在于，该光学有源玻璃陶瓷制品是激光器。
9.如权利要求6所述的光学有源玻璃陶瓷制品，其特征在于，该光学有源玻璃陶瓷制品是光导纤维放大器。
10.如权利要求6所述的光学有源玻璃陶瓷制品，其特征在于，该光学有源玻璃陶瓷制品是激光器。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该成型步骤是用双坩埚技术进行的，其中在成型过程中该中心元件和覆盖该中心元件的透明玻璃都被加热至约800-1300℃的温度，而且形成的玻璃在1分钟之内被骤冷至低于峰结晶温度的某个温度。
12.如权利要求11所述的光学有源玻璃陶瓷制品，其特征在于，PrF+3的浓度为约200-550ppmw。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该加热步骤是在预选定的该中心元件玻璃的峰结晶温度附近进行，而且预选定的时间为约0.5-24小时。
14.一种制造光学有源玻璃陶瓷制品的方法，其特征在于，包括步骤形成伸长的、具有第一末端和第二末端的玻璃体，即透明玻璃构成的中心元件，该透明玻璃基本上仅含有由下列以阳离子百分比表示的组份SiO220-35PbF219-23AlO1.510-20YF33-7CdF219-34ZnF23-7而且PrF+3的浓度为约50-650ppm；以及，覆盖该长中心元件的但露出该第一末端和第二末端的透明玻璃，该透明玻璃基本上由下列以氧化物的重量百分比表示的组份构成SiO223-30 B2O31-10Al2O30-3 PbO49-60Li2O 0-1 Na2O 0-2K2O5-11BaO0-8；和在预定时间内和预定的温度下加热该伸长的玻璃体，将该中心玻璃元件转变成具有高光学透明度并且基本上仅含一种晶相的透明玻璃陶瓷。
全文摘要
公开了光学有源玻璃陶瓷制品。它们基本不含ZnO和ZnF
文档编号G02B6/00GK1148034SQ9610616
公开日1997年4月23日 申请日期1996年4月29日 优先权日1995年4月28日
发明者N·F·博雷尔利, L·K·利尼利厄斯, M·A·纽豪斯, P·A·蒂克 申请人:康宁股份有限公司