具有较大负热光程系数和高增益的磷酸盐激光钕玻璃的制作方法

本发明属于激光玻璃制备领域，具体涉及一种具有较大负热光程系数和高增益的磷酸盐激光钕玻璃。
背景技术：
：磷酸盐激光钕玻璃由于具有高储能，高增益和低非线性系数等优点，一直以来是高功率激光装置中的重要增益介质材料。随着大型激光装置逐渐走向重频时代，高平均功率激光装置正广泛用于激光冲击强化、钛宝石泵源等领域。但是，在高平均功率激光系统中，由于玻璃的本征热导性能差，重频运行会产生热积累，造成玻璃中心与边缘出现温度差，从而形成梯度的光程长度变化，致使波前畸变，即发生光学热畸变。光学热畸变不仅限制了激光系统重复频率的提高，也严重降低了输出激光的光束质量和输出功率。因此，消除激光玻璃的光学热畸变亟待解决。目前，国内外为了获得具有零热畸变的玻璃进行了大量研究。如硅酸盐玻璃(专利公开号JP2005343802A)，硼酸盐玻璃(专利公开号JP2002321937A)，氟化物玻璃(专利公开号JPS59162148A)，虽然实现了低热畸变，但此类玻璃由于铂金颗粒问题或者大尺寸制备问题，并不适合用于作为激光玻璃基质。而在磷酸盐玻璃体系中(专利公开号US4022707，US3999997，CN105753316，专利公开号US4108673，US433384)，虽然获得了较低热光程系数，但是由于未考虑到热光弹系数对光束质量畸变的影响(Proc.ofSPIE，2014,Vol.9237)，仍未获得完全具有零热畸变的激光玻璃；另外，在前述专利中设计的玻璃，由于普遍Al2O3含量过低导致化学稳定性较差，不能够满足在水冷却下的重频工作。所以，在保持磷酸盐玻璃高受激发射截面的基础上，通过新的组分设计，实现较大的负热光程系数，同时进一步提高化学稳定性，最终获得具有零热畸变的激光玻璃就显得十分重要。技术实现要素：本发明的目的是提供一种具有较大负热光程系数和高增益的磷酸盐激光钕玻璃，该玻璃的特性是具有高化学稳定性、较大负值的热光程系数和低热畸变，同时具有高受激发射截面和适中的荧光寿命，可作为重频大能量激光系统中的增益介质。本发明的具体技术解决方案如下：一种较大负热光程系数和高增益的磷酸盐激光钕玻璃，其摩尔百分比的组分为：本发明通过在P2O5-Al2O3-BaO-K2O中，引入具有负热光程系数的玻璃组分PbO和TeO2。在玻璃中，引入的Pb2+与Ba2+形成混合碱效应，在保持负热光程系数的同时，能提高受激发射截面和化学稳定性；另一方面，引入少量Te4+能够降低热膨胀，且提高玻璃的光学性能。本发明通过科学的玻璃组分设计，提供了一种化学稳定性好，受激发射截面大，负热光程系数，低热畸变的磷酸盐激光钕玻璃，有望用于重频、大能量激光系统中的增益介质。与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)通过对具有负热光程系数磷酸盐激光钕玻璃的组分和其含量进行合理调整，获得低达-1.5～-2.3×10-6K-1的热光程系数，实现低热畸变。(2)Nd3+离子在本体系中具有高达4.29～4.60×10-20cm2的受激发射截面，能够获得激光高增益。(3)该体系磷酸盐激光钕玻璃在水中浸泡48h测得的化学稳定性高为0.14mg/cm2，可满足水冷重频应用的要求。因此，该玻璃能够满足重频大能量激光系统对玻璃低热畸变、高增益、高化学稳定性的需求。附图说明图1为本发明实施例2中磷酸盐激光钕玻璃在1053nm的荧光光谱图。图2为本发明实施例2中磷酸盐激光钕玻璃的吸收光谱图。图3为本发明实施例2中磷酸盐激光钕玻璃的热膨胀曲线图。图4为本发明实施例2中磷酸盐激光钕玻璃的荧光寿命图。图5为本发明实施例2中磷酸盐激光钕玻璃与其他激光玻璃的热致波前畸变对比图。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步的阐述。表1列出了本发明较大负热光程系数和高增益的磷酸盐激光钕玻璃5个实施例的摩尔百分比组成。表1负热光程系数高增益型磷酸盐激光钕玻璃实施例1-5的组成(mol％)实施例1的制备方法如下：(1)配合料的称量及混合：采用以下纯度大于99.99％的引入物作为原料P2O5、KH2PO4、Al(H2PO4)3、Ba(H2PO4)2、PbO、TeO2、Nd2O3，按实施例1所述玻璃组分的摩尔比例称取原料，均匀混合，形成混合料；(2)气氛保护下的玻璃熔制：将所述的混合料加入到石英坩埚中，将坩埚置于1000℃碳化硅熔炉中熔制40分钟；在所述的石英坩埚上加盖，往玻璃液中通入CCl4气体，除水60分钟；停止通气后，将玻璃液转入铂金坩埚中，在1100℃下氧气气氛中对玻璃液澄清3小时；将玻璃液在15分钟内降至1050℃，在氧气气氛中机械搅拌10小时；将玻璃液在15分钟内降至850℃，在预热的铸铁模具上浇注成型；(3)玻璃退火：将成型的玻璃迅速转入380℃下的马弗炉中，保温2小时后，以10℃/小时的速率降温至室温，得到钕玻璃。实施例2-5均按照各自玻璃组分的摩尔比例制备，制备方法与实施例1相同。对本发明实施例2和N31磷酸盐激光钕玻璃进行了测试，其结果如下表所示：性能实施例2N31热致波前畸变(λ)0.91.8热光程系数dS/dT(10-6/K)(30-100℃)-2.21.4折射率温度系数dn/dT(10-6/K)(30-100℃)-9.2-4.3热膨胀系数α(10-6/K)(30-100℃)13.210.7热光弹系数P(10-12/Pa)1.7-受激发射截面σem(10-20cm2)4.43.8荧光寿命τ(μs)329310化学稳定性(mg/cm2)(48h)0.140.2由上表可知，本发明磷酸盐激光钕玻璃的抗热畸变性能以及激光增益性能均优于N31玻璃，能够满足重频大能量激光系统对玻璃低热畸变、高增益性能的需求。图1为本发明实施例2中磷酸盐激光钕玻璃在1053nm的荧光光谱图。是用FLS920型时间分辨光谱仪对实施例2使用氙灯作为激发源，激发波长为811nm，测量得到荧光光谱图。图2为本发明实施例2中磷酸盐激光钕玻璃的吸收光谱图。用Perkin-Elmer900UV/VIS/NIR型分光光度计测得的吸收光谱，测试波长范围是300-1000nm。图3为本发明实施例2中磷酸盐激光钕玻璃的热膨胀曲线图。用德国NETZSCH公司的Dilatometer402PC型膨胀仪对实施例2测得热膨胀曲线图4为本发明实施例2中磷酸盐激光钕玻璃的荧光寿命图。用FLS920型时间分辨光谱仪对实施例2测量得到荧光寿命图5为本发明实施例2中磷酸盐激光钕玻璃与其他激光玻璃的热致波前畸变对比图。图5中的Pb-2是本发明实施例2磷酸盐激光钕玻璃的热致波前畸变，ASG-2、N31、NAP2是其他磷酸盐激光钕玻璃的热致波前畸变，是利用多片式气冷研究平台，在相同热量下，对不同型号钕玻璃热效应的测试结果。试验表明，本发明磷酸盐激光钕玻璃具有较大负值的热光程系数、低热畸变、高化学稳定性、高受激发射截面和适中的荧光寿命，可作为重频大能量激光系统的增益介质。当前第1页1 2 3