第二章光學(xué)功能玻璃激光玻璃

1、2021/2/71 光功能玻璃也稱之為“光子玻璃”,是通過(guò)與光相互作用而發(fā)揮其功能的玻璃。 以往的光學(xué)材料,主要當(dāng)作透過(guò)、成像、濾光等材料,近代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,相繼出現(xiàn)了激光、電光、聲光、磁光、光色、儲(chǔ)存等光學(xué)功能材料。玻璃在光學(xué)功能材料中占有非常重要的地位。 甘福熹院士指出光子玻璃主要包括激光玻璃、非線性功能玻璃、新型光子玻璃三個(gè)方面。日本學(xué)者S.Sakka將其劃分為傳統(tǒng)（C,Classical),新型（N,New）及未來(lái)（F,Future)三類共14種。2021/2/72光子玻璃種類和功能2021/2/73光學(xué)功能玻璃的特點(diǎn) （1）高度的光學(xué)均勻性; （2）透明度高; （3）可制得大尺寸或

2、任意幾何形狀; （4）成本低 2021/2/742.1 2.1 激光玻璃激光玻璃 激光玻璃與其它激光工作物質(zhì)（晶體、半導(dǎo)體等）相比,具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn): （1）化學(xué)組成可以在很寬的范圍內(nèi)改變,因而可制備各種性質(zhì)不同的激光玻璃; （2）摻入激活離子的種類和數(shù)量不受限制; （3）容易制得大尺寸的激光棒或激光圓盤; （4）光學(xué)質(zhì)量易于得到保證; （5）價(jià)格比晶體等激光物質(zhì)便宜得多; （6） 輸出能量大、輸出功率高。 2021/2/751 1、激光器對(duì)激光玻璃的基本要求、激光器對(duì)激光玻璃的基本要求 激光玻璃由基質(zhì)玻璃和激活離子兩部分組成。激光玻璃的各種物理化學(xué)性質(zhì)主要由基質(zhì)玻璃決定,而它的光譜性質(zhì)則主要由

3、激活離子決定。 2021/2/76 但基質(zhì)玻璃和激活離子彼此之間相互作用,所以激活離子對(duì)激光玻璃的物理化學(xué)性質(zhì)有一定的影響,而基質(zhì)玻璃對(duì)它的光譜性質(zhì)的影響也相當(dāng)重要。 2021/2/77（1）激活離子的發(fā)光機(jī)構(gòu)中必須有亞穩(wěn)態(tài),形成三能級(jí)或四能級(jí)機(jī)構(gòu),并要求亞穩(wěn)態(tài)有較長(zhǎng)的壽命,使粒子數(shù)易于積累,達(dá)到反轉(zhuǎn)。目前在玻璃中產(chǎn)生激光的各種激活離子,如（鐿）Yb3、（釓）Gd3、（釹）Nd+3、（鉺）Er3、（鈥）Ho3、（銩）Tm3等,以Nd3離子最佳。 2021/2/78（2）基質(zhì)玻璃必須有各種適當(dāng)?shù)墓庾V性質(zhì)。其中包括吸收光譜性質(zhì),要求在激發(fā)光源的輻射光譜內(nèi)有寬而多的吸收帶,高的吸收系數(shù)。 2021/

4、2/79（3）基質(zhì)玻璃必須有良好的透明度,使光泵的能量充分被激活離子所吸收,轉(zhuǎn)化為激光。 （基質(zhì)玻璃中若含有鐵、銅、鉻、錳、鈷、鎳等過(guò)渡金屬元素的化合物,在近紫外到紅外區(qū)域都有強(qiáng)的吸收,會(huì)使基質(zhì)玻璃的透明度下降。） 2021/2/710 （4）必須有良好的光學(xué)均勻性。 （5）必須有良好的熱穩(wěn)定性。 （6）有良好工藝性能和物理化學(xué)性能,便于制造、加工和使用,失透傾向小,化學(xué)穩(wěn)定性高,有一定的機(jī)械強(qiáng)度。 2021/2/7112 2、釹玻璃基質(zhì)成分、釹玻璃基質(zhì)成分 （1 1）硅酸鹽系統(tǒng)玻璃）硅酸鹽系統(tǒng)玻璃 硅酸鹽系統(tǒng)釹玻璃具有優(yōu)良的工硅酸鹽系統(tǒng)釹玻璃具有優(yōu)良的工藝性能和物理化學(xué)性能藝性能和物理化學(xué)性

5、能, ,制造工藝比制造工藝比較簡(jiǎn)單成熟較簡(jiǎn)單成熟, ,易獲得光學(xué)均勻性高的易獲得光學(xué)均勻性高的大尺寸玻璃。一般用于大尺寸玻璃。一般用于高能輸出和高能輸出和高功率輸出高功率輸出的激光器的激光器, ,是目前應(yīng)用最是目前應(yīng)用最廣的激光玻璃。廣的激光玻璃。 2021/2/712 組成范圍（mol%）: SiO26580%,R2O305%,RO510%,R2O1020% SiO2太高,熔制困難且易降低光學(xué)均勻性; 釹玻璃中一般不引入氧化硼B(yǎng)2O3 ,可引入12的氧化鋁Al2O3 ; 二價(jià)氧化物多采用氧化鈣CaO及氧化鋇BaO; 一價(jià)氧化物主要采用氧化鈉Na2O、氧化鉀K2O,一般同時(shí)引入兩種效果好; 引

6、入少量氧化鈰CeO2或氧化銻Sb2O3 ,除了起澄清作用外,還可提高玻璃的光照穩(wěn)定性。 2021/2/713 K2OBaOSiO2系統(tǒng)的鋇冕玻璃（阿貝數(shù)v50)是最早用作摻釹激光玻璃的基質(zhì)玻璃,其優(yōu)點(diǎn)是熔制溫度低、工藝條件易掌握、熒光壽命長(zhǎng)、玻璃的激光輸出效率高、熱光系數(shù)W低;缺點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性較差、低溫有析晶傾向、熔體對(duì)耐火材料侵蝕較大。 注:阿貝數(shù)V=(nd-1)/(nF-nC)50,冕類光學(xué)玻璃 50,火石類光學(xué)玻璃2021/2/714 R2OCaOSiO2系統(tǒng)的鈣冕玻璃也是最廣泛使用的激光玻璃之一。它和K2OBaOSiO2系統(tǒng)玻璃相似,具有較低的熔制溫度和比較成熟的工藝性能,它的化學(xué)穩(wěn)定

7、性和機(jī)械強(qiáng)度比鋇冕玻璃好,析晶傾向和對(duì)耐火材料的侵蝕性也低于鋇冕玻璃。但是其熒光壽命較短（約0.5ms）,熱光系數(shù)也相對(duì)比較高。 2021/2/715 Li2OCaOAl2O3SiO2系統(tǒng)玻璃具有很高的彈性系數(shù),而且可以通過(guò)高溫離子交換處理的方法,使玻璃的表面生成應(yīng)力層,提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱沖擊的能力。但是,這類玻璃的熔融體在高溫時(shí)的物理化學(xué)性能較差,熔體對(duì)耐火材料侵蝕較大。 2021/2/716（2）硼酸鹽及硼硅酸鹽系統(tǒng)玻璃 當(dāng)激光器采用高重復(fù)率脈沖工作時(shí),釹玻璃的激光振蕩閾值必須較低。硼玻璃因熒光壽命短而吸收系數(shù)高,可以獲得較低的閾值能量。 2021/2/717激光閾值 在激光器中,當(dāng)

8、激活介質(zhì)受激勵(lì)時(shí),一方面因發(fā)生受激輻射而獲得光的放大,另一方面因存在介質(zhì)損耗而產(chǎn)生光的衰減。兩者之間有一個(gè)臨界狀態(tài),此時(shí)光的放大剛好補(bǔ)償光的損耗,這個(gè)能維持系統(tǒng)內(nèi)激光振蕩不停止的最低條件稱為激光閾值。 2021/2/718 硼酸鹽玻璃熱膨脹系數(shù)較低、制造容易、生產(chǎn)工藝成熟,向其中引入一定量的SiO2可以改善玻璃的各項(xiàng)物理化學(xué)性質(zhì)。 摻釹硼酸鹽玻璃的基質(zhì)成分主要是BaOB2O3SiO2系統(tǒng)和BaOLa2O3B2O3系統(tǒng)。 2021/2/719（3）磷酸鹽系統(tǒng)玻璃 特點(diǎn):熒光壽命較短,熒光譜線較窄,釹離子在磷酸鹽玻璃中的近紅外吸收較強(qiáng),有利于光泵能量的充分利用,是一種較好的連續(xù)工作和重復(fù)頻率工作的

9、激光玻璃。 缺點(diǎn):化學(xué)穩(wěn)定性差,對(duì)耐火材料侵蝕大,玻璃成分易發(fā)揮造成玻璃的光學(xué)均勻性較差,玻璃的析晶傾向嚴(yán)重。 2021/2/720 多采用BaOP2O5系統(tǒng),引入部分Al2O3或La2O3,可改善玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性和析晶性能。 此外,還有氟化物玻璃和氟磷玻璃等其它玻璃系統(tǒng)。 2021/2/7213、釹離子濃度對(duì)輸出效率的影響 在一定基質(zhì)的釹玻璃中,適當(dāng)增加釹離子的濃度可以使激活吸收系數(shù)增大而使輸出效率提高。但是,過(guò)分增加釹離子的濃度反而會(huì)使效率下降。 2021/2/722 這是因?yàn)殁S離子的濃度過(guò)大時(shí)會(huì)產(chǎn)生濃度猝滅效應(yīng),使釹玻璃的熒光性質(zhì)變壞,此外釹離子的濃度大到使光泵輻射被玻璃棒的外層完全吸收

10、,而中心部分不能被充分激發(fā)時(shí),再增加濃度就不會(huì)有益處。 一般釹離子的濃度約為35（重量百分?jǐn)?shù)）時(shí),效率可較大。 2021/2/723 濃度猝滅效應(yīng) 當(dāng)釹離子濃度增加到某一定值時(shí),激活離子之間將會(huì)產(chǎn)生相互作用。激活離子吸收的激發(fā)能量,通過(guò)這種相互作用,從一個(gè)激活離子遷移至另一個(gè)尚未激發(fā)的激活離子,從而使它的熒光壽命、量子效率和熒光強(qiáng)度下降。2021/2/7244、釹玻璃制造工藝、釹玻璃制造工藝 （1）工藝要求 制造大尺寸棒狀玻璃（有的達(dá)2米多）時(shí),除澆注成型外,還可采用底部拉棒的工藝。 降低非激活吸收。規(guī)定玻璃中有害雜質(zhì)的含量降低到百萬(wàn)分之幾的數(shù)量級(jí)。（方法:提高玻璃原料的純度、減少配料及熔制時(shí)

11、的污染、選擇優(yōu)質(zhì)耐火材料）。 避免含結(jié)石和其它夾雜物。（防止鉑坩堝或鉑攪拌器的鉑顆粒進(jìn)入玻璃,引起玻璃棒的破裂）。 提高玻璃的光學(xué)均勻性。 2021/2/725（2）制造工藝 鉑坩堝熔煉 工藝流程: 原料稱量及混合加料熔制澄清攪拌澆注退火研磨拋光檢驗(yàn)切割成品 2021/2/726 鉑坩堝熔煉的改進(jìn)（目的:減少鉑顆粒夾雜物） 因?yàn)殂K在高溫空氣中會(huì)形成鉑的氧化物,這些鉑氧化物落到玻璃液中,又會(huì)重新還原成顆粒狀的白金。 在高溫空氣中: Pt O2 PtO2 在玻璃液中: PtO2 O2 Pt 采用CO2與CO混合氣體作保護(hù)氣體效果較好。（用氫氣或氮?dú)馊钥赡苌摄K顆粒）。 2021/2/727 池爐熔

12、煉 適于生產(chǎn)固定品種及大批量的釹玻璃。連續(xù)熔煉池爐包括五個(gè)互相連續(xù)的部分:熔化池、澄清池、攪拌池、玻璃液流出系統(tǒng)、澆注成型裝置,其中澄清池、攪拌池、成型裝置均采用鉑材料。 2021/2/728 陶瓷坩堝熔煉 是目前生產(chǎn)釹玻璃的主要方法（坩堝容積已達(dá)400L,玻璃量達(dá)1000kg）。必須選擇合適的耐火材料制造坩堝和攪拌器。一般采用鋁硅酸鹽耐火材料,有時(shí)也采用剛玉或熔融石英材料。除了使用燃料加熱坩堝爐外,也有用高頻電爐熔煉釹玻璃,坩堝采用石英坩堝及陶瓷材料坩堝。 2021/2/729 陶瓷坩堝熔煉工藝方法缺點(diǎn): 耐火材料雜質(zhì)引起的非激活吸收（對(duì)1.06um的光吸收較高,玻璃的成品率只有68）。 2021/2/730 陶瓷坩堝熔煉