一种铋硼铝可调谐的激光玻璃及其制备方法与流程

[0001]
本发明属于激光玻璃技术领域，具体涉及一种铋硼铝可调谐的激光玻璃及其制备方法。


背景技术：

[0002]
在中红外激光中，2μm波段中红外激光在远距离激光通讯、激光遥感、环境污染检测分析、人眼安全的激光雷达以及医疗外科手术等方面有着广阔的应用前景；除此之外，2.0μm波段激光也可作为中红外激光(3～5μm)的理想泵浦源。因此，2.0μm波段光纤激光器近年来已成为研究热点之一。稀土掺杂激光玻璃光纤作为光纤激光器的核心增益介质，其研究一直是激光玻璃领域重点问题。tm
3+
因具有800nm波段的强烈吸收峰、高量子效率(理论量子效率可达200％)、宽输出波长(1700-2100nm)等特点而被认为是获得2μm激光的理想激活离子。1988年，英国南安普顿大学hanna d.c.等人首次在掺铥石英单模光纤中观察到1.88-1.96μm激光振荡，2009年wang等人报道了一种掺铥的硅酸盐玻璃光纤，获得了中心波长在1980nm，脉冲能量0.76nj，斜率效率为68.3％的激光输出。2015年kuan等人报道了平均能量为84mw的被动调q铥离子掺杂碲酸盐玻璃光纤激光器。
[0003]
截止目前，铥离子掺杂的2μm中红外发光已在多种不同类型的玻璃基质中实现，主要可分为两大类，包括氧化物(石英、硅酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐等)和非氧化物(氟化物和硫系化物)玻璃。非氧化物玻璃尽管具有较低的声子能量，但由于较差的化学稳定性、机械强度和较低的激光损伤阈值，其应用受到了严重的限制。在氧化物玻璃中，石英玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等均因较高的声子能量而限制了它们在2μm波段中红外发光中的应用。然而，重金属氧化物玻璃(包括碲酸盐、锗酸盐、铋玻璃)因具有较低的声子能量、较高的稀土离子溶解度、宽的红外透过范围等优点，近年来在激光玻璃和光纤激光器领域中得到了广泛的研究。在重金属氧化物玻璃之中，碲酸盐玻璃机械加工性能差，锗酸盐玻璃羟基含量高且抗析晶性能差。相比之下铋酸盐玻璃具有更低的声子能量、更好的机械加工性能和抗析晶性能；因此铥离子掺杂铋酸盐玻璃的研究将对2μm波段中红外激光领域的发展具有较强的理论与实际意义。
[0004]
申请人发现，基于目前医疗外科手术等领域对于更高功率2μm波段光纤激光器的迫切需求，目前广泛采用的铋锗或铋硅激光玻璃体系，其稀土离子溶解度已难以满足需求。因此探索一种新型的高稀土离子溶解度，且性能优异的重金属激光玻璃体系，对于实现高增益有源玻璃光纤及光纤激光器具有重要意义。


技术实现要素：

[0005]
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种铋硼铝可调谐的激光玻璃及其制备方法，在玻璃中引入b2o3和al2o3可以极大地提高铋酸盐玻璃的稀土离子溶解度，且制得的稀土离子掺杂玻璃体系的成玻性能、热稳定性以及抗激光损伤阈值性能好，可用于近中红外光纤激光器的增益介质。
[0006]
本发明是通过如下技术方案来实现的。
[0007]
本发明的第一个目的是提供一种铋硼铝可调谐激光玻璃，由以下摩尔百分比的组分组成：bi2o
3 45-55％、b2o
3 20-45％、al2o
3 5-20％、baf
2 5-15％。
[0008]
优选地，还掺杂有tm
3+
离子，且所述tm
3+
离子的掺杂量≤bi2o3、b2o3、al2o3和baf2总摩尔量的14％。
[0009]
优选地，所述b2o3由hbo3引入。
[0010]
优选地，所述tm
3+
由tm2o3引入。
[0011]
本发明的第二个目的是提供上述铋硼铝可调谐激光玻璃的制备方法，包括以下步骤：
[0012]
s1、按照以下摩尔百分比的组分称取各原料：bi2o
3 45-55％、b2o
3 20-45％、al2o
3 5-20％、baf
2 5-15％、tm
3+
0-14％，所述b2o3由hbo3引入，tm
3+
由tm2o3引入；
[0013]
s2、将s1称取的各原料放入坩埚中于1100-1250℃熔化，之后于1050-1100℃进行澄清、均化，最后将澄清、均化好的玻璃液浇注到预热的模具中成型；
[0014]
s3、将s2成型的玻璃迅速移入到预热的马弗炉中保温，马弗炉的温度为玻璃转变温度以下10-50℃，之后将马弗炉冷却至室温，完全冷却后取出玻璃样品。
[0015]
优选地，s2中，所述熔化的时间为20-60min。
[0016]
优选地，s2中，所述澄清、均化的时间为10-20min。
[0017]
优选地，s3中，所述保温的时间为4-6h。
[0018]
优选地，s3中，所述冷却的速率为10℃/h。
[0019]
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0020]
(1)本发明在铋酸盐玻璃中引入b2o3和al2o3制得的玻璃，组分可调谐、近红外透过率好，成玻性能好(b2o3的引入可使得铋硼铝激光玻璃的成玻性能较好)，可用于激光玻璃基质材料，为进行tm
3+
离子掺杂提供良好的基质材料；
[0021]
(2)在上述玻璃中进行tm
3+
离子掺杂，可使tm
3+
离子掺杂浓度高达14mol％(这是由于al2o3的引入使得该玻璃稀土离子溶解度得到极大提升)，且掺杂后的玻璃体系热稳定性参数δt大于100℃，折射率可达1.9-2.1，在中红外区域具有高的透过率；
[0022]
(3)提高稀土离子掺杂浓度对于提升激光玻璃的增益效果至关重要，然而稀土离子掺杂浓度过高时会出现稀土离子的团簇现象，造成荧光猝灭，发光强度反而减弱；本发明通过调谐铋硼铝玻璃的基质组分，在808nm激光二极管泵浦下，tm
3+
离子的掺杂浓度可达14mol％，而不出现2μm发射荧光猝灭，现有技术中并未出现过上述高浓度的tm
3+
掺杂浓度，在高功率光纤激光器领域有着极其重要的意义。
附图说明
[0023]
图1为实施例1制得的铋硼铝可调谐激光玻璃的dsc测试曲线；
[0024]
图2为实施例1-6制得的铋硼铝可调谐激光玻璃的荧光光谱图；
[0025]
图3为实施例5制得的铋硼铝可调谐激光玻璃的折射率测试结果图；
[0026]
图4为实施例8制得的铋硼铝可调谐激光玻璃的荧光光谱图；
[0027]
图5为实施例8制得的铋硼铝可调谐激光玻璃的折射率测试曲线；
[0028]
图6为实施例8和实施例9制得的铋硼铝可调谐激光玻璃的透过率测试曲线。
具体实施方式
[0029]
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。下述原料和试剂，如没有特殊说明，均为市售；检测方法和实验方法，如没有特殊说明，均为常规方法。
[0030]
实施例1
[0031]
一种铋硼铝可调谐激光玻璃，由以下摩尔百分比的组分组成：bi2o
3 45％，b2o
3 45％，al2o
3 5％，baf
2 5％，另外再添加上述成分总摩尔量0.5％的tm2o3，b2o3由hbo3引入。
[0032]
上述铋硼铝可调谐激光玻璃的制备方法，具体包括以下步骤：
[0033]
准确称取10g配合料并混合均匀，将配合料放入坩埚中于1100℃熔化20min，温度降至1000℃，澄清、均化冷却15分钟，将玻璃液浇注在预热的模具中，成型后迅速将其移入预热到370℃的马弗炉中，保温4h后以10℃/h的冷却速率将马弗炉冷却至室温，完全冷却后取出玻璃样品。
[0034]
实施例2
[0035]
一种铋硼铝可调谐激光玻璃，由以下摩尔百分比的组分组成：bi2o
3 45％，b2o
3 35％，al2o
3 5％，baf
2 15％，另外再添加上述成分总摩尔量1％的tm2o3，b2o3由hbo3引入。
[0036]
上述铋硼铝可调谐激光玻璃的制备方法，具体包括以下步骤：
[0037]
准确称取10g配合料并混合均匀，将配合料放入坩埚中于1100℃熔化20min，温度降至1000℃，澄清、均化冷却15分钟，将玻璃液浇注在预热的模具中，成型后迅速将其移入预热到370℃的马弗炉中，保温4h后以10℃/h的冷却速率将马弗炉冷却至室温，完全冷却后取出玻璃样品。
[0038]
实施例3
[0039]
一种铋硼铝可调谐激光玻璃，由以下摩尔百分比的组分组成：bi2o
3 45％，b2o
3 35％，al2o
3 10％，baf
2 10％，另外再添加上述成分总摩尔量1.5％的tm2o3，b2o3由hbo3引入。
[0040]
上述铋硼铝可调谐激光玻璃的制备方法，具体包括以下步骤：
[0041]
准确称取10g配合料并混合均匀，将配合料放入坩埚中于1200℃(熔化25min，温度降至1050℃，澄清、均化冷却15分钟，将玻璃液浇注在预热的模具中，成型后迅速将其移入预热到370℃的马弗炉中，保温4h后以10℃/h的冷却速率将马弗炉冷却至室温，完全冷却后取出玻璃样品。
[0042]
实施例4
[0043]
一种铋硼铝可调谐激光玻璃，由以下摩尔百分比的组分组成：bi2o
3 45％，b2o
3 40％，al2o
3 10％，baf
2 5％，另外再添加上述成分总摩尔量2％的tm2o3，b2o3由hbo3引入。
[0044]
上述铋硼铝可调谐激光玻璃的制备方法，具体包括以下步骤：
[0045]
准确称取10g配合料并混合均匀，将配合料放入坩埚中于1200℃熔化25min，温度降至1050℃，澄清、均化冷却15分钟，将玻璃液浇注在预热的模具中，成型后迅速将其移入预热到370℃的马弗炉中，保温4h后以10℃/h的冷却速率将马弗炉冷却至室温，完全冷却后取出玻璃样品。
[0046]
实施例5
[0047]
一种铋硼铝可调谐激光玻璃，由以下摩尔百分比的组分组成：bi2o
3 50％，b2o
3 35％，al2o
3 10％，baf
2 5％，另外再添加上述成分总摩尔量2.5％的tm2o3，b2o3由hbo3引入。
[0048]
上述铋硼铝可调谐激光玻璃的制备方法，具体包括以下步骤：
[0049]
准确称取10g配合料并混合均匀，将配合料放入坩埚中于1200℃熔化25min，温度降至1050℃，澄清、均化冷却15分钟，将玻璃液浇注在预热的模具中，成型后迅速将其移入预热到370℃的马弗炉中，保温4h后以10℃/h的冷却速率将马弗炉冷却至室温，完全冷却后取出玻璃样品。
[0050]
实施例6
[0051]
一种铋硼铝可调谐激光玻璃，由以下摩尔百分比的组分组成：bi2o
3 55％，b2o
3 20％，al2o
3 10％，baf
2 15％，另外再添加上述成分总摩尔量3％的tm2o3，b2o3由hbo3引入。
[0052]
上述铋硼铝可调谐激光玻璃的制备方法，具体包括以下步骤：
[0053]
准确称取10g配合料并混合均匀，将配合料放入坩埚中于1250℃(熔化30min，温度降至1100℃，澄清、均化冷却15分钟，将玻璃液浇注在预热的模具中，成型后迅速将其移入预热到370℃的马弗炉中，保温4h后以10℃/h的冷却速率将马弗炉冷却至室温，完全冷却后取出玻璃样品。
[0054]
对该玻璃样品的测试结果如下：
[0055]
由图1可得，将部分样品敲碎后放入玛瑙研钵中研磨成粉末状进行差热分析测试。本发明实施例1的2μm发光掺稀土铋硼铝激光玻璃的dsc测试曲线如图1所示。
[0056]
把退火后的玻璃样品切割成10mm
×
10mm
×
2mm的薄片，对玻璃片进行两面抛光，测试其折射率变化曲线，然后在808nm激光二极管泵浦下测试样品的中红外荧光光谱。本发明实施例1-6的2μm发光掺稀土铋硼铝激光玻璃的荧光光谱如图2所示。本发明实施例5的2μm发光掺稀土铋硼铝激光玻璃的折射率测试曲线如图3所示。
[0057]
实验表明，本发明实施例1-6所得玻璃样品可以获得2μm荧光输出(由图2可知，铋硼铝激光玻璃体系中实施例1-6均可产生2μm荧光输出)，同时玻璃具有较高的折射率(由图3可得铋硼铝激光玻璃体系中实施例5的折射率为1.9-2.1)，较高的稀土离子溶解度(由图2可得铋硼铝激光玻璃体系中实施例6具有较高的tm2o3掺杂量，3mol％)。热稳定性参数大于100℃(由图1可知铋硼铝激光玻璃体系中实施例1的热稳定性参数为δt＝120℃，大于100℃)，非常适合光纤拉制，且具有相对较高的转变温度(327℃)，因此可推断所制备样品具有较高的抗激光损伤阈值。
[0058]
实施例7
[0059]
一种铋硼铝可调谐激光玻璃，由以下摩尔百分比的组分组成：bi2o
3 45％，b2o
3 23％，al2o
3 17％，baf
2 15％，另外再添加上述成分总摩尔量5％的tm2o3，b2o3由hbo3引入。
[0060]
上述铋硼铝可调谐激光玻璃的制备方法，具体包括以下步骤：
[0061]
准确称取10g配合料并混合均匀，将配合料放入坩埚中于1250℃熔化60min，温度降至1150℃，澄清、均化冷却15分钟，将玻璃液浇注在预热的模具中，成型后迅速将其移入预热到370℃的马弗炉中，保温4h后以10℃/h的冷却速率将马弗炉冷却至室温，完全冷却后取出玻璃样品。
[0062]
实施例8
[0063]
一种铋硼铝可调谐激光玻璃，由以下摩尔百分比的组分组成：bi2o
3 45％，b2o
3 27％，al2o
3 18％，baf
2 10％，另外再添加上述成分总摩尔量7％的tm2o3，b2o3由hbo3引入。
[0064]
上述铋硼铝可调谐激光玻璃的制备方法，具体包括以下步骤：
[0065]
准确称取10g配合料并混合均匀，将配合料放入坩埚中于1250℃熔化60min，温度降至1150℃，澄清、均化冷却15分钟，将玻璃液浇注在预热的模具中，成型后迅速将其移入预热到370℃的马弗炉中，保温4h后以10℃/h的冷却速率将马弗炉冷却至室温，完全冷却后取出玻璃样品。
[0066]
实施例9
[0067]
一种铋硼铝可调谐激光玻璃，由以下摩尔百分比的组分组成：bi2o
3 55％，b2o
3 20％，al2o
3 20％，baf
2 5％，b2o3由hbo3引入。
[0068]
上述铋硼铝可调谐激光玻璃的制备方法，具体包括以下步骤：
[0069]
准确称取10g配合料并混合均匀，将配合料放入坩埚中于1200℃熔化40min，温度降至1100℃，澄清、均化冷却15分钟，将玻璃液浇注在预热的模具中，成型后迅速将其移入预热到370℃的马弗炉中，保温4h后以10℃/h的冷却速率将马弗炉冷却至室温，完全冷却后取出玻璃样品。
[0070]
对该玻璃样品的测试结果如下：
[0071]
把退火后的玻璃样品切割成10mm
×
10mm
×
2mm的薄片，对玻璃片进行两面抛光，测试其折射率变化曲线，然后在808nm激光二极管泵浦下测试样品的中红外荧光光谱。本发明实施例8的2μm发光掺稀土铋硼铝激光玻璃的荧光光谱如图4所示。本发明实施例8的2μm发光掺稀土铋硼铝激光玻璃的折射率测试曲线如图5所示。本发明实施例8和实施例9的铋硼铝激光玻璃的透过率测试曲线如图6所示。
[0072]
实验表明，上述实施例制备的2μm发光掺稀土铋硼铝激光玻璃折射率较大(由图5可得铋硼铝激光玻璃体系中实施例8具有较大的折射率，为1.95-2.1)，稀土离子的溶解度很高(由图4可得铋硼铝激光玻璃体系中实施例8具有较高的tm2o3掺杂量，为7mol％)，且具有较高的近红外透过率(由图6可得实施例8在684,792,1210和1653nm处存在较强的吸收峰，分别对应于tm
3+
离子从基态3h6能级到激发态3f3+3f2,3h4,3h5和3f4能级的受激吸收跃迁，这有利于铋硼铝激光玻璃的高效泵浦；而实施例9因无tm
3+
离子掺杂，在684,792,1210和1653nm处不存在吸收峰，并且，实施例8在2μm附近波段透过率可达78.6％，而实施例9在2μm附近波段透过率可达84％)，适合用于高功率激光器的增益材料。
[0073]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。