光學功能玻璃激光玻璃

光學功能玻璃激光玻璃第一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五

光功能玻璃也稱之為“光子玻璃”，是通過與光相互作用而發(fā)揮其功能的玻璃。以往的光學材料,主要當作透過、成像、濾光等材料，近代光學技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了激光、電光、聲光、磁光、光色、儲存等光學功能材料。玻璃在光學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、新型光子玻璃三個方面。日本學者S.Sakka將其劃分為傳統(tǒng)（C，Classical)，新型（N,New）及未來（F,Future)三類共14種。第二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五光子玻璃種類和功能第三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五光學功能玻璃的特點

（1）高度的光學均勻性；（2）透明度高；（3）可制得大尺寸或任意幾何形狀；（4）成本低

第四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五2.1激光玻璃

激光玻璃與其它激光工作物質(zhì)（晶體、半導體等）相比，具有獨特的優(yōu)點：（1）化學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）

光學質(zhì)量易于得到保證；（5）

價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。第五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五1、激光器對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。

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但基質(zhì)玻璃和激活離子彼此之間相互作用，所以激活離子對激光玻璃的物理化學性質(zhì)有一定的影響，而基質(zhì)玻璃對它的光譜性質(zhì)的影響也相當重要。

第七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五（1）激活離子的發(fā)光機構(gòu)中必須有亞穩(wěn)態(tài)，形成三能級或四能級機構(gòu)，并要求亞穩(wěn)態(tài)有較長的壽命，使粒子數(shù)易于積累，達到反轉(zhuǎn)。目前在玻璃中產(chǎn)生激光的各種激活離子，如（鐿）Yb＋3、（釓）Gd＋3、（釹）Nd+3、（鉺）Er＋3、（鈥）Ho＋3、（銩）Tm＋3等，以Nd＋3離子最佳。

第八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五（2）基質(zhì)玻璃必須有各種適當?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)。

第九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五（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、鎳等過渡金屬元素的化合物，在近紫外到紅外區(qū)域都有強的吸收，會使基質(zhì)玻璃的透明度下降。）

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（4）必須有良好的光學均勻性。（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性能，便于制造、加工和使用，失透傾向小，化學穩(wěn)定性高，有一定的機械強度。

第十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五2、釹玻璃基質(zhì)成分

（1）硅酸鹽系統(tǒng)玻璃硅酸鹽系統(tǒng)釹玻璃具有優(yōu)良的工藝性能和物理化學性能，制造工藝比較簡單成熟，易獲得光學均勻性高的大尺寸玻璃。一般用于高能輸出和高功率輸出的激光器，是目前應用最廣的激光玻璃。第十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五

組成范圍（mol%）：

SiO265～80%,R2O30～5%,RO5～10%,R2O10～20%SiO2太高，熔制困難且易降低光學均勻性；釹玻璃中一般不引入氧化硼B(yǎng)2O3

，可引入1～2％的氧化鋁Al2O3

；二價氧化物多采用氧化鈣CaO及氧化鋇BaO；一價氧化物主要采用氧化鈉Na2O、氧化鉀K2O，一般同時引入兩種效果好；引入少量氧化鈰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。

第十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五

K2O－BaO－SiO2系統(tǒng)的鋇冕玻璃（阿貝數(shù)v>50)是最早用作摻釹激光玻璃的基質(zhì)玻璃，其優(yōu)點是熔制溫度低、工藝條件易掌握、熒光壽命長、玻璃的激光輸出效率高、熱光系數(shù)W低；缺點是化學穩(wěn)定性較差、低溫有析晶傾向、熔體對耐火材料侵蝕較大。

注：阿貝數(shù)V=(nd-1)/(nF-nC)>50,冕類光學玻璃

<50,火石類光學玻璃第十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五

R2O－CaO－SiO2系統(tǒng)的鈣冕玻璃也是最廣泛使用的激光玻璃之一。它和K2O－BaO－SiO2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，它的化學穩(wěn)定性和機械強度比鋇冕玻璃好，析晶傾向和對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)也相對比較高。

第十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五

Li2O－CaO－Al2O3－SiO2系統(tǒng)玻璃具有很高的彈性系數(shù)，而且可以通過高溫離子交換處理的方法，使玻璃的表面生成應力層，提高玻璃的機械強度和抗熱沖擊的能力。但是，這類玻璃的熔融體在高溫時的物理化學性能較差，熔體對耐火材料侵蝕較大。第十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五（2）硼酸鹽及硼硅酸鹽系統(tǒng)玻璃當激光器采用高重復率脈沖工作時，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。

第十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五激光閾值

在激光器中，當激活介質(zhì)受激勵時，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。兩者之間有一個臨界狀態(tài)，此時光的放大剛好補償光的損耗，這個能維持系統(tǒng)內(nèi)激光振蕩不停止的最低條件稱為激光閾值。

第十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五

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物理化學性質(zhì)。摻釹硼酸鹽玻璃的基質(zhì)成分主要是BaO－B2O3－SiO2系統(tǒng)和BaO－La2O3－B2O3系統(tǒng)。

第十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五（3）磷酸鹽系統(tǒng)玻璃特點：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，有利于光泵能量的充分利用，是一種較好的連續(xù)工作和重復頻率工作的激光玻璃。缺點：化學穩(wěn)定性差，對耐火材料侵蝕大，玻璃成分易發(fā)揮造成玻璃的光學均勻性較差，玻璃的析晶傾向嚴重。

第二十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五

多采用BaO－P2O5系統(tǒng)，引入部分Al2O3或La2O3，可改善玻璃的化學穩(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)。第二十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五3、釹離子濃度對輸出效率的影響

在一定基質(zhì)的釹玻璃中，適當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，過分增加釹離子的濃度反而會使效率下降。

第二十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五這是因為釹離子的濃度過大時會產(chǎn)生濃度猝滅效應，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，而中心部分不能被充分激發(fā)時，再增加濃度就不會有益處。一般釹離子的濃度約為3～5％（重量百分數(shù)）時，效率可較大。

第二十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五濃度猝滅效應當釹離子濃度增加到某一定值時，激活離子之間將會產(chǎn)生相互作用。激活離子吸收的激發(fā)能量，通過這種相互作用，從一個激活離子遷移至另一個尚未激發(fā)的激活離子，從而使它的熒光壽命、量子效率和熒光強度下降。第二十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五4、釹玻璃制造工藝

（1）工藝要求①制造大尺寸棒狀玻璃（有的達2米多）時，除澆注成型外，還可采用底部拉棒的工藝。②降低非激活吸收。規(guī)定玻璃中有害雜質(zhì)的含量降低到百萬分之幾的數(shù)量級。（方法：提高玻璃原料的純度、減少配料及熔制時的污染、選擇優(yōu)質(zhì)耐火材料）。③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入玻璃，引起玻璃棒的破裂）。④提高玻璃的光學均勻性。第二十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五（2）制造工藝①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→切割→成品

第二十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五②鉑坩堝熔煉的改進（目的：減少鉑顆粒夾雜物）因為鉑在高溫空氣中會形成鉑的氧化物，這些鉑氧化物落到玻璃液中，又會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混合氣體作保護氣體效果較好。（用氫氣或氮氣仍可能生成鉑顆粒）。

第二十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五

③池爐熔煉適于生產(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。

第二十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五④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400L，玻璃量達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。第二十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五陶瓷坩堝熔煉工藝方法缺點：耐火材料雜質(zhì)引起的非激活吸收（對1.06um的光吸收較高，玻璃的成品率只有6～8％）。第三十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五⑤陶瓷坩堝熔煉的改進采用高純莫來石制造薄壁坩堝及多層葉漿攪拌器，爐子用碳化硅發(fā)熱體加熱，發(fā)展了間