淺析激光玻璃

1、 淺析激光玻璃 130111102 吳東陽摘要：激光玻璃是一種以玻璃為基質(zhì)的固體激光材料。它廣泛應(yīng)用于各類型固體激光光器中，并成為高功率和高能量激光器的主要激光材料，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、自然科學(xué)和軍事方面得到了廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：激光玻璃；硅酸鹽激光玻璃；性質(zhì)特點(diǎn)；應(yīng)用前景正文：前言：激光玻璃是一種以玻璃為基質(zhì)的固體激光材料,由基質(zhì)玻璃和激活離子兩部分組成。它廣泛應(yīng)用于各類型固體激光光器中,并成為高功率和高能量激光器的主要激光材料。  激光玻璃與其它工作物質(zhì)相比，有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：易制備，容易獲得高度透明、光學(xué)均勻、大尺寸的激光棒或圓盤；利用熱成型及冷加工工藝，可制成不同形狀，以適應(yīng)激光器

2、需要。本文就激光玻璃的種類、機(jī)理、制備方法及應(yīng)用予以簡單介紹。主要內(nèi)容：激光玻璃的概念：在固體激光器中，能產(chǎn)生激光的晶體或玻璃被稱為激光工作物質(zhì)。激光工作物質(zhì)由基質(zhì)和激活離子兩部分組成，基質(zhì)材料為激活離子提供了一個(gè)合適的存在與工作環(huán)境，而由激活離子完成激光產(chǎn)生過程。激光玻璃是以玻璃為基礎(chǔ)摻人一定的激活離子制成的激光工作物質(zhì)。在玻璃中已實(shí)現(xiàn)激光的激活離子主要是稀土離子：如Yb3+、Gda+、Nd3+Era+、Ho”、Tm3+等。摻釹玻璃由于能在室溫中產(chǎn)生激光，溫度猝滅效應(yīng)小，光泵吸收效率高和發(fā)光的量子效率高，是目前最主要的激光玻璃。激光玻璃是發(fā)展最快、應(yīng)用范圍最廣的固體激光材料之一。激光玻璃由基

3、質(zhì)玻璃和激活離子兩部分組成。激光玻璃各種物理化學(xué)性質(zhì)主要由基質(zhì)玻璃決定，而它的光譜性質(zhì)則主要由激活離子決定。但是基質(zhì)玻璃與激活離子彼此間互相作用，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)的影響有時(shí)還是相當(dāng)重要的。激光玻璃的種類：現(xiàn)在的激光玻璃主要有硅酸鹽激光玻璃、磷酸鹽激光玻璃、氟磷酸鹽和氟化物激光玻璃、硅磷酸鹽激光玻璃、高釹濃度激光玻璃等若干種，我們主要介紹一下硅酸鹽激光玻璃和磷酸鹽、氟化物激光玻璃以及高釹濃度激光玻璃這三種。  硅酸鹽激光玻璃 ：最早的激光玻璃都屬于這類，如我國N03、N10，美國的NS0835，日本的LCG13，英 國

4、的LN6等。這些玻璃大致成分（mol%）基本為：SiO26075，Na2O3015，K2O05，CaO+BaO1015，Al2O303。它們的主要優(yōu)點(diǎn)是熔制工藝成熟、光學(xué)質(zhì)量好、物化性能穩(wěn)定、激光效率高。  磷酸鹽激光玻璃 ：六十年代初在廣泛探索基質(zhì)玻璃系統(tǒng)時(shí)，在磷酸鹽玻璃中產(chǎn)生了激光，但由于磷酸鹽玻璃物化性能性能較差，不易制備，當(dāng)時(shí)沒有深入研究。到了七十年代，隨著激光核聚變技術(shù)的發(fā)展，具有受激發(fā)截面大、非線性折射率低、熱光系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)的磷酸鹽玻璃顯示了其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被選為激光核聚變裝置的激光玻璃。日本、美國和我國先后定型了適合于不同要求的磷酸鹽激光玻璃。但與此同時(shí)，此類玻

5、璃的缺點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性差、玻璃表面易潮解。  高釹濃度激光玻璃：為了滿足微型固體激光器發(fā)展的需要，研制了玻璃態(tài)的高釹濃度激光玻璃材料（如NdP5O14、LiNdP4O12、KNdP4O12等），并在小型脈沖激光器中得到了應(yīng)用。  激光玻璃由基質(zhì)玻璃和激活離子兩部分組成。激光玻璃各種物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)主要由基質(zhì)玻璃決定，而它的光譜性質(zhì)則主要由激活離子決定。 激光玻璃的特點(diǎn)：激光玻璃發(fā)展迅速的主要原因是它本身性質(zhì)和制造工藝方面有晶體材料不具備的優(yōu)點(diǎn)：基質(zhì)玻璃的形成范圍大，加入不同種類和數(shù)量的激活離子，能獲得具有不同特點(diǎn)的激光玻璃;易于制備成具有要求性能、尺寸和形狀的激光

6、玻璃;玻璃近程有序和遠(yuǎn)程無序的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其通過光學(xué)玻璃工藝能夠獲得高透明度、各向同性、光學(xué)均勻、大尺寸的制品;利用熱成形及冷加工工藝，可制成不同形狀的激光玻璃：既可拉成直徑小至幾微米的纖維，又可制成幾厘米直徑和幾米長的棒以及幾十厘米厚的玻璃板;成本較低，原料純度要求較低，制備工藝比較容易實(shí)現(xiàn)，制造周期較短。激光玻璃的性質(zhì)：激光玻璃由基礎(chǔ)玻璃摻人激活離子構(gòu)成。它的物理化學(xué)性質(zhì)主要由基礎(chǔ)玻璃決定，光譜性質(zhì)主要由激活離子決定。基礎(chǔ)玻璃與激活離子相互作用、相互影響，決定激光玻璃的各種性質(zhì)。激光玻璃作為固體激光器中的工作介質(zhì)，需具備下述性質(zhì)：良好的透明度，基礎(chǔ)玻璃應(yīng)盡量不吸收激發(fā)激光的波長，使激發(fā)能量

7、充分地被激活離子吸收，轉(zhuǎn)化為激光;良好的光學(xué)均勻性，使激光激發(fā)有低閾值，高效率;良好的熱穩(wěn)定性，保證非輻射躍遷產(chǎn)生的熱量不至于破壞玻璃的結(jié)構(gòu)與性質(zhì);激活離子的發(fā)光機(jī)構(gòu)中必須有亞穩(wěn)態(tài)，并有較長的壽命，使粒子數(shù)易于積累，達(dá)到反轉(zhuǎn);激光玻璃有適當(dāng)?shù)奈展庾V性質(zhì)，在激發(fā)源的輻射光譜內(nèi)有寬而多的吸收帶和較高的吸收系數(shù)。激光玻璃的基本要求：（1）激活離子的發(fā)光機(jī)構(gòu)中必需有亞穩(wěn)態(tài)，形成三能級(jí)或四能縱機(jī)構(gòu)；并要求亞穩(wěn)態(tài)有較長壽命，使粒子數(shù)易于積累達(dá)到反轉(zhuǎn)。為使激光玻璃有較高的效率和低的振蕩值，從能級(jí)機(jī)構(gòu)來講，四能級(jí)優(yōu)于三能級(jí)。而當(dāng)終態(tài)能級(jí)與基態(tài) 能級(jí)之間能量間隔大于1000厘米-1時(shí)，在室溫下終態(tài)能

8、級(jí)幾乎是空因此，在室溫下泵浦也易于產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。目前已在玻璃中產(chǎn)生激光的各種激活離子，以Nd3+離子最佳，其為四能級(jí)機(jī)構(gòu)，激光躍遷的終態(tài)與基態(tài)能級(jí)的間距約為1950厘米。（2） 激光玻璃必需有各種適串的光譜性質(zhì)。其中包括吸收光譜性質(zhì)，要求在激發(fā)光源的輻射光漸內(nèi)有寬而多的吸收帶，高的吸收系數(shù)，吸收光譜帶與光源的輻射帶的峰值盡可能重迭，這樣有利于充分利用激發(fā)光源的能量；熒光光譜性質(zhì)，一般要求它的熒光譜帶少而窄，這樣輸出能量不致分散； 同時(shí)為使吸收的激發(fā)光能量盡可能多地轉(zhuǎn)化為激光能量，還要求熒光的量子效率盡可能高，內(nèi)部的能量損耗盡可能小。（3） 激光基質(zhì)玻璃必需有良好

9、的透明度，尤其是對(duì)激光波長的吸收應(yīng)盡可能低。基質(zhì)玻璃的透明度高，就能使光泵的能量充分地被激活離子所吸收，轉(zhuǎn)化為激光。透明度降低 就增加了基質(zhì)對(duì)光泵能量的吸收，而使激光玻璃溫度升高，這會(huì)帶來一系列缺點(diǎn)。目前光泵的輻射譜帶大部分位于可見光及近紫外和紅外區(qū)域，所以必須選擇在該區(qū)域透明的材料。（4）激光玻璃必需有良好的光學(xué)均勻性。激光玻璃的光學(xué)不均勻性使光線通過玻璃后波面變形和產(chǎn)生程差，促使其振蕩閾值升良效率降低，發(fā)散角增加。（5）激光玻璃必需有良好的熱光穩(wěn)定件。激光器工作時(shí)由于激活離子的非輻射躍遷損失和基質(zhì)玻璃的紫外、紅外吸收光泵的一部分光能轉(zhuǎn)化為使玻璃溫度升高的熱能。同時(shí)，由于吸熱和冷卻

10、條件的不同在棒的徑向就會(huì)出現(xiàn)溫度梯度。這些因素除導(dǎo)致激光玻璃的光學(xué)均勻性降低而影響激光性能外，甚至?xí)辜す獗涣в捎跓釞C(jī)械性能不好而損壞。（6） 激光玻璃必需有良好的物理化學(xué)性能。這包括失透傾向小，化學(xué)穩(wěn)定性高。有一定的機(jī)械強(qiáng)度和良好的光照穩(wěn)定性和熱導(dǎo)性等。失透傾向高的玻璃使玻璃制造，尤其是大塊玻璃的生產(chǎn)工藝帶來困難，并難于得到光學(xué)均勻性高的被璃。激光玻璃的制備方法：硅酸鹽激光玻璃：目前制備激光玻璃主要采用熔體冷卻成型方法，包括以鉑金坩堝、陶瓷坩堝為熔器的間隙式熔體冷卻成形方法及鉑金池爐為熔器的連續(xù)熔融，進(jìn)行高溫加熱形成均勻無氣泡并符合成型要求的玻璃。  氟磷酸鹽激光玻璃：氟

11、磷酸鹽的化學(xué)組成以氟化物為主，再加入一定量的磷酸鹽。氟化物玻璃有氟化鈹玻璃、氟鋯酸鹽玻璃和氟鋁酸鹽玻璃等。這類玻璃一般用鉑坩堝熔制，因易析晶和組分在熔制過程中亦揮發(fā)，引起化學(xué)成分不均勻，產(chǎn)生條紋，熔制工藝較困難，需采用特殊的工藝制備。目前，這類玻璃的抗激光破壞能力還不夠強(qiáng)，破壞閥值大約只有硅酸鹽玻璃的一半左右。激光玻璃的制造工藝：激光玻璃制造工藝要注意三個(gè)方面的問題。第一，原料純度的要求。原料應(yīng)盡可能少含或不含鐵、銅、鉛、鈷等過渡金屬元素，因?yàn)樗鼈冊(cè)谧贤夂图t外都有強(qiáng)的吸收，使玻璃的透明度下降，增加玻璃基質(zhì)對(duì)激發(fā)能量的吸收，使激光玻璃溫度升高，影響玻璃的激光性能。第二，耐火材料的要求。耐火材料對(duì)

12、所熔化的激光玻璃有良好的耐侵蝕性，如硅酸鹽激光玻璃用莫來石或高嶺質(zhì)坩堝熔制，磷酸鹽激光玻璃用透明石英或鉑坩堝熔制。采用優(yōu)化的溫度和氣氛制度控制耐火材料的熔蝕，保證玻璃的質(zhì)量和光學(xué)玻璃性能。第三，工藝過程的要求。注意消除玻璃中的羥基，激光玻璃中的羥基與Nd3+相互作用，產(chǎn)生Nd3+激發(fā)態(tài)能量向羥基轉(zhuǎn)移，使Nd3+熒光壽命變短，量子效率下降。羥基在紅外3.5肚m處有強(qiáng)烈吸收，該波長的吸收系數(shù)可以用來衡量羥基的含量。消除羥基的工藝方法包括：通人干燥氣體、加氟化物、氣氛法等。通人于燥氣體消除羥基屬于物理法，這種方法在氣體與玻璃料形成平衡之后不再起作用，所以除羥基的量是有限的。另外兩種方法屬于化學(xué)法，通

13、過化學(xué)反應(yīng)使羥基生成HF或HCl而排出。如在硅酸鹽玻璃中加入氟化物和在磷酸鹽玻璃中通入CCl4氣體控制氣氛。激光玻璃的應(yīng)用:1960年發(fā)現(xiàn)激光，1961年激光玻璃問世。激光玻璃具有光學(xué)質(zhì)量高、體積大、發(fā)射譜線寬、抗激光破壞能力強(qiáng)、易加工、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，作為固體激光器材料可獲得高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的激光輸出。從而，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、自然科學(xué)和軍事方面得到了廣泛的應(yīng)用。激光玻璃已被應(yīng)用于各類激光器中，并成為高功率和高能量激光器的主要激光材料。如含釹玻璃光導(dǎo)纖維激光諧振器、含鉺玻璃光纖放大器等。無鉑夾雜的含釹磷酸鹽玻璃制品的大型激光器已用于熱核聚變的研究中，用來啟動(dòng)核聚變反應(yīng)。激光誘發(fā)

14、核聚變與磁控聚變相結(jié)合，已成為產(chǎn)生可控?zé)岷四艿闹饕緩健ｋS著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，激光玻璃的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。 光的發(fā)射原理及產(chǎn)生過程的特殊性決定了激光具有普通光所不具有的特點(diǎn)：即三好（單色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。利用激光的定向性好和高亮度，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健、軍事、鑒偽、安防、舞臺(tái)（紅、綠、藍(lán)）燈光、各種電動(dòng)工具、測(cè)量類、儀器、設(shè)備、水平尺、定位儀、測(cè)距儀、測(cè)溫儀、激光標(biāo)線儀（投線儀）、各種板材切割成型機(jī)、石材機(jī)械、木工機(jī)械、金屬鋸床、包裝機(jī)械的對(duì)刀、放線、服裝類、電子工量具、鼠標(biāo)、盤、攝像機(jī)、手機(jī)、投影教學(xué)翻頁筆、激光筆、工藝品、室內(nèi)外裝飾、手電筒、禮品類、玩具類等產(chǎn)品中，方便快捷、直觀實(shí)用、易于安裝、穩(wěn)定可靠，能較大幅度的提高工作效率。結(jié)束語： 自1961年激光玻璃發(fā)明以來,激光玻璃無論品種還是在制備工藝方面都得到了很大的發(fā)展,激光玻璃不僅以大塊體的形式在慣性約束聚變裝置中發(fā)揮了核心作用,還將以光纖的形式在通信和測(cè)量等領(lǐng)域得到越來越廣的應(yīng)用。相信隨著摻鉍離子石英光纖