專利名稱：稀土離子摻雜的yag微晶玻璃及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種稀土離子摻雜的微晶玻璃，尤其是涉及一種稀土離子摻雜的YAG微晶玻璃及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，固體激光器廣泛應(yīng)用于軍事、通信、工業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。其工作物質(zhì)主要為晶體和玻璃。稀土離子摻雜的YAG晶體(RE:YAG)已得到廣泛應(yīng)用，基質(zhì)YAG(yttrium aluminum garnet)是釔鋁石榴石的簡(jiǎn)稱，分子式為Y3Al5O12。YAG晶體具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、透明度、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性，并能給激活離子提供良好的晶場(chǎng)環(huán)境，YAG晶體一種非常優(yōu)秀的可摻雜稀土離子的基質(zhì)材料；而且稀土離子摻雜的YAG激光器產(chǎn)生激光振蕩的閥值低，因此可以連續(xù)輸出激光。摻雜較多的有Yb3+，Er3+，Tm3+等稀土離子，稀土離子摻雜的YAG單晶已經(jīng)成為目前最重要的固體激光基質(zhì)。
摻Y(jié)b3+離子釔鋁石榴石晶體(Y(3-x)YbxAl5O12、Yb:YAG)是非常理想的InGaAs二極管泵浦的激光材料，熱學(xué)性能優(yōu)異，吸收帶寬，InGaAs二極管泵浦能量完全吸收，熒光壽命長(zhǎng)，能有效儲(chǔ)能，發(fā)射截面大，能高效輸出激光能量，晶場(chǎng)分裂能大，降低了激光閾值功率。用二極管泵浦Yb:YAG晶體被視為發(fā)展高功率激光的一個(gè)途徑。Er:YAG晶體中鉺離子具有許多精細(xì)分裂能級(jí)和較多的亞穩(wěn)態(tài)，因此它的發(fā)光性質(zhì)比較獨(dú)特。晶體中Er3+的4I13/2→4I15/2躍遷產(chǎn)生1.6μm左右的激光，正好在人眼角膜不透明的范圍，是一種人眼安全的激光輻射，同時(shí)它對(duì)激光加工，測(cè)距及光纖通訊具有重要意義。摻銩釔鋁石榴石(Tm:YAG)是一種很重要的紅外可調(diào)諧激光材料，調(diào)諧范圍從1.87μm直至2.16μm，Tm:YAG激光器在遙感和醫(yī)療領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。另外，Tm:YAG激光對(duì)人眼安全，且易獲得高質(zhì)量光束，所以還能廣泛用于激光雷達(dá)。
從上可知Yb3+、Er3+、Tm3+等摻雜的YAG晶體是很重要的激光工作物質(zhì)，但是當(dāng)前稀土離子摻雜YAG晶體主要是由提拉法制備得到的，這種制備方法具有成本昂貴，工藝復(fù)雜、速度慢等缺點(diǎn)；同時(shí)受到尺寸的限制，激光輸出功率難以提高。而稀土離子摻雜的激光玻璃雖然成本低，尺寸可以做得很大，從而輸出功率可以提高，但它在熱導(dǎo)率、激光振蕩閾值、重復(fù)次數(shù)等方面難與晶體相比，其二極管泵浦閾值比YAG單晶要大十倍以上，因此其應(yīng)用也受到很大限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種生產(chǎn)周期短、成本低、易于批量生產(chǎn)的稀土離子摻雜的YAG微晶玻璃及其制備方法，該微晶玻璃具有與稀土離子摻雜的YAG晶體相似的光譜特性及良好的物理和激光特性。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種稀土離子摻雜的YAG微晶玻璃，其摩爾百分組成為CaO17-44，Y2O30.1-13，Al2O316-32，SiO226-46，RE2O30.1-9，TiO20-5。
其中RE2O3為Yb2O3、Er2O3、Tm2O3中的至少一種。
本發(fā)明稀土離子摻雜的YAG微晶玻璃的具體制備過程包括下列步驟；(1)CaO-Y2O3-Al2O3-SiO2-RE2O3-TiO2系玻璃基體的熔制按以下摩爾百分比的配方CaO17-44，Y2O30.1-13，Al2O316-32，SiO226-46，RE2O30.1-9，TiO20-5稱量分析純?cè)?，將原料混合均勻后倒進(jìn)石英坩鍋或鉑金坩堝中熔化，熔化溫度1600-1800℃，保溫1-2小時(shí)，將玻璃熔體倒入鑄鐵模內(nèi)，然后置于馬弗爐中進(jìn)行退火，于玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg溫度保溫1小時(shí)后，以10℃/小時(shí)的速率降溫至50℃，關(guān)閉馬弗爐電源自動(dòng)降溫至室溫，取出玻璃，用于微晶化熱處理；(2)YAG微晶玻璃制備根據(jù)玻璃的熱分析(DTA)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將制得的玻璃在其第一析晶峰附近于精密退火爐中熱處理1～6小時(shí)，然后再以5℃/小時(shí)的速率降溫至50℃，關(guān)閉精密退火爐電源自動(dòng)降溫至室溫，得到透明的稀土離子摻雜的YAG微晶玻璃樣品。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于把稀土離子摻雜到合適配方的玻璃母體中，通過對(duì)玻璃材料的加熱微晶化處理，使得稀土離子摻雜到結(jié)晶相的格位中，從而獲得具有很好發(fā)光效應(yīng)的均勻透明的大塊微晶玻璃；這類微晶玻璃集晶體與玻璃的優(yōu)點(diǎn)于一身，同時(shí)具有晶體基質(zhì)優(yōu)異的光譜激光特性和玻璃基質(zhì)的生產(chǎn)周期短、成本低、易于批量生產(chǎn)，在制備工藝上能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸、高摻雜等特點(diǎn)，可拉制成微晶玻璃光纖；經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明按本發(fā)明配方和制備方法，析出稀土離子摻雜到Y(jié)AG晶相，制得的稀土離子摻雜YAG微晶玻璃透明且物理化學(xué)性能優(yōu)良，具有與稀土離子摻雜YAG晶體相似的光譜特性，良好的物理和激光特性，且材料制備方法簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低；Er3+的YAG微晶玻璃在室溫下熒光半寬度高達(dá)200nm左右，非常有望用于光通信領(lǐng)域中超寬帶光放大器；這說明稀土離子摻雜的微晶玻璃在制作激光器、光放大器等工業(yè)應(yīng)用中具有良好的潛在前景。


圖1為實(shí)施例一微晶化熱處理后樣品的X射線衍射(XRD)圖；圖2為實(shí)施例一用940nm半導(dǎo)體激光器泵浦的Yb:YAG微晶玻璃的熒光光譜；圖3為實(shí)施例二970nm半導(dǎo)體激光器的泵浦下Er，Yb:YAG微晶玻璃的熒光光譜；圖4為實(shí)施例三970nm半導(dǎo)體激光器的泵浦下Tm，Yb:YAG微晶玻璃的熒光光譜。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
實(shí)施例一表1為實(shí)施例一的玻璃配方及第一析晶溫度值。
表1

具體制備過程如下第一步，按表1中的配方稱量50克分析純?cè)?，將原料混合均勻后倒進(jìn)石英坩鍋中熔化，熔化溫度1600℃，保溫2小時(shí)，將玻璃熔體倒入鑄鐵模內(nèi)，然后置于馬弗爐中進(jìn)行退火，于玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg溫度保溫2小時(shí)后，以10℃/小時(shí)的速率降溫至50℃，關(guān)閉馬弗爐電源自動(dòng)降溫至室溫，取出玻璃；第二步，根據(jù)玻璃的熱分析(DTA)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到第一析晶溫度為1050℃，將制得的玻璃置于精密退火爐中在1100℃熱處理6小時(shí)，然后再以5℃/小時(shí)的速率降溫至50℃，關(guān)閉精密退火爐電源自動(dòng)降溫至室溫，得到透明的Yb3+摻雜的YAG(Yb:YAG)微晶玻璃。
對(duì)制備的YAG微晶玻璃的光譜性質(zhì)測(cè)試，得到的玻璃經(jīng)微晶化處理后的XRD圖如圖1所示，其結(jié)果如下經(jīng)過熱處理得到的樣品的XRD衍射峰與YAG晶相的標(biāo)準(zhǔn)XRD圖的主要衍射峰都相符，因此得到的材料是純YAG析晶相的微晶玻璃，無其它雜質(zhì)相；因Yb3+的離子半徑為85.8pm和Y3+的離子半徑88.0pm相比還略小，所以在微晶化熱處理時(shí)Yb3+可以替代Y3+進(jìn)入到Y(jié)AG晶格位中。而被940nm半導(dǎo)體激光器泵浦的Yb:YAG微晶玻璃的熒光光譜如圖2所示，它與Yb:YAG晶體的熒光譜相似，熒光強(qiáng)度在1030nm最大。
實(shí)施例二表2為實(shí)施例二的玻璃配方及第一析晶溫度值。
表2

具體制備過程如下第一步，按表2中的配方稱量50克分析純?cè)?，將原料混合均勻后倒進(jìn)鉑金坩堝中熔化，熔化溫度1800℃，保溫1小時(shí)，將玻璃熔體倒入鑄鐵模內(nèi)，然后置于馬弗爐中進(jìn)行退火，于玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg溫度保溫1小時(shí)后，以10℃/小時(shí)的速率降溫至50℃，關(guān)閉馬弗爐電源自動(dòng)降溫至室溫，取出玻璃；第二步，根據(jù)玻璃的熱分析(DTA)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到第一析晶溫度為1030℃，將制得的玻璃置于精密退火爐中在1050℃熱處理1小時(shí)，然后再以5℃/小時(shí)的速率降溫至50℃，關(guān)閉精密退火爐電源自動(dòng)降溫至室溫，最后可得到透明的Yb3+離子與Er3+共摻的YAG(Er，Yb:YAG)微晶玻璃，其中Yb3+離子起敏化作用。
對(duì)制備的YAG微晶玻璃的光譜性質(zhì)測(cè)試，970nm半導(dǎo)體激光器的泵浦下Er，Yb:YAG微晶玻璃的熒光光譜如圖3所示，從其結(jié)果發(fā)現(xiàn)Er，Yb共摻Y(jié)AG微晶玻璃在室溫下能產(chǎn)生橫蓋1450nm～1650nm區(qū)間的超寬帶熒光，熒光半寬度在200nm左右，非常有望用做光通訊領(lǐng)域中超寬帶光放大器以及超寬帶可調(diào)諧激光器的增益介質(zhì)；微晶化后的熒光光譜產(chǎn)生了波峰分裂現(xiàn)象，說明Er3+離子進(jìn)入了YAG晶格位中，因斯塔克分裂造成的。
實(shí)施例三表3為實(shí)施例三的玻璃配方及第一析晶溫度值。
表3

具體制備過程如下第一步，按表3中的配方稱量50克分析純?cè)?，將原料混合均勻后倒進(jìn)鉑金坩堝中熔化，熔化溫度1700℃，保溫1.5小時(shí)，將玻璃熔體倒入鑄鐵模內(nèi)，然后置于馬弗爐中進(jìn)行退火，于玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg溫度保溫1小時(shí)后，以10℃/小時(shí)的速率降溫至50℃，關(guān)閉馬弗爐電源自動(dòng)降溫至室溫，取出玻璃；第二步，根據(jù)玻璃的熱分析(DTA)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到第一析晶溫度為1025℃，將制得的玻璃置于精密退火爐中在1045℃，熱處理4小時(shí)，然后再以5℃/小時(shí)的速率降溫至50℃，關(guān)閉精密退火爐電源自動(dòng)降溫至室溫，得到透明的Yb3+與Tm3+離子共摻的YAG(Tm，Yb:YAG)微晶玻璃。
對(duì)制備的YAG微晶玻璃的光譜性質(zhì)測(cè)試，970nm半導(dǎo)體激光器泵浦的Tm，Yb:YAG微晶玻璃的熒光光譜如圖4所示，其結(jié)果表明經(jīng)過熱處理后產(chǎn)生Tm，Yb:YAG微晶與相應(yīng)的玻璃基體相比發(fā)光強(qiáng)度有了明顯的提高，說明Tm，Yb:YAG微晶的發(fā)光性質(zhì)更好，發(fā)光強(qiáng)度明顯提高；熒光峰還各產(chǎn)生波峰分裂，這是晶場(chǎng)引起的斯塔克分裂造成的。
權(quán)利要求
1.一種稀土離子摻雜的YAG微晶玻璃，其摩爾百分組成為CaO 17-44，Y2O30.1-13，Al2O316-32，SiO226-46，RE2O30.1-9，TiO20-5。
2.如權(quán)利要求1所述的稀土離子摻雜的YAG微晶玻璃，其特征在于RE2O3為Yb2O3、Er2O3、Tm2O3中的至少一種。
3.一種權(quán)利要求1所述的稀土離子摻雜的YAG微晶玻璃的制備方法，其特征在于包括下列具體步驟；(1)CaO-Y2O3-Al2O3-SiO2-RE2O3-TiO2系玻璃的熔制按以下摩爾百分比的配方CaO17-44，Y2O30.1-13，Al2O316-32，SiO226-46，RE2O30.1-9，TiO20-5稱量分析純?cè)?，將原料混合均勻后倒進(jìn)石英坩鍋或鉑金坩堝中熔化，熔化溫度1600-1800℃，保溫1-2小時(shí)后將玻璃熔體倒入鑄鐵模上，然后置于馬弗爐中進(jìn)行退火，于玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg溫度保溫1小時(shí)后，以10℃/小時(shí)的速率降溫至50℃，關(guān)閉馬弗爐電源自動(dòng)降溫至室溫，取出玻璃，用于微晶化熱處理；(2)YAG微晶玻璃的制備根據(jù)玻璃的熱分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將制得的玻璃置于精密退火爐中在其第一析晶峰附近溫度熱處理1～6小時(shí)，然后再以5℃/小時(shí)的速率降溫至50℃，關(guān)閉精密退火爐電源，自動(dòng)降溫至室溫，得到透明的稀土離子摻雜的YAG微晶玻璃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種稀土離子摻雜的YAG微晶玻璃及其制備方法，其摩爾百分組成為CaO17－44，Y
文檔編號(hào)C03C3/095GK1785870SQ200510061290
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月28日
發(fā)明者張約品, 夏海平, 張新民, 章踐立, 王金浩 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)