專利名稱：：鐿鎳共摻透明硅酸鹽微晶玻璃及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及光學(xué)透明微晶玻璃，特別是一種用于寬帶光放大的鐿鎳共摻透明硅酸鹽微晶玻璃及其制備方法。該透明微晶玻璃在訴Onm光源泵浦下能夠產(chǎn)生比單一Ni摻雜的透明硅酸鹽微晶玻璃更強(qiáng)的近紅外通訊波段熒光，具有長的熒光壽命，寬的增益帶寬，適合作為寬帶光放大器和激光器的增益介質(zhì)。
背景技術(shù)：
：近年來，隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其它新的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的飛速發(fā)展，長距離光纖傳輸系統(tǒng)對通信容量的需求急劇膨脹。如何進(jìn)一步提高現(xiàn)有光纖傳輸系統(tǒng)的通信容量，以滿足這種日益膨脹的需求，已成為光通信領(lǐng)域研究的熱點。目前廣泛認(rèn)為增加光纖傳輸系統(tǒng)中光纖放大器的增益帶寬和平坦性是增加光纖傳輸容量的最有效的方法。然而，現(xiàn)在實用的摻鉺光纖放大器的增益帶寬很難再得到拓寬，這是因為稀土離子4f-4f光躍遷的帶寬本質(zhì)上是狹窄的，所以由一種稀土離子摻雜而引起的光放大器帶寬的擴(kuò)展是有限的。同樣的問題也發(fā)生在銩，鐠，釤等稀土離子身上。光纖喇曼放大器(FRAs)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍內(nèi)的寬帶放大，但它需要多波段的泵浦并且增益效率低，而且寬帶FRAs結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要特大功率的泵浦激光器，能量消耗大。因此，如果能夠研制出一種具有高增益和覆蓋整個通訊窗口的超寬帶光放大器，那么就有可能僅用一個光放大器實現(xiàn)整個通訊窗口的光信號同時得到放大，這將引起光通信領(lǐng)域飛躍性的進(jìn)步，促進(jìn)光通信向全光通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。最近，N產(chǎn)摻雜透明微晶玻璃受到了人們的廣泛關(guān)注。這種N嚴(yán)摻雜光學(xué)材料在1050nm附近有寬的吸收帶，用980nm激光二極管泵浦能夠產(chǎn)生覆蓋整個光通信窗口(12001600nm)的熒光，具有長的熒光壽命，寬的增益帶寬，有望在寬帶光放大器、高功率激光器、可調(diào)諧激光器等領(lǐng)域得到應(yīng)用。眾所周知，YbS+離子在980nm附近具有高的和寬的吸收帶，這與目前已經(jīng)商用的InGaAs激光二極管的發(fā)射波長(980nm)匹配的很好，因此常常用作一些稀土離子(如E嚴(yán)，P,)摻雜激光材料的敏化劑以提高它們的泵浦效率。這是由于Yb3+離子2F5/2—2F7/2的發(fā)射與E,離子4I15/2—^/2、P,離子3H4—'G4的吸收具有大的光譜重疊，導(dǎo)致YbS+離子向Er^、Pr^離子發(fā)生有效能量轉(zhuǎn)移。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了提高透明微晶玻璃中鎳(Ni2+)離子光譜性質(zhì)，提出一種鐿鎳共摻透明硅酸鹽微晶玻璃及其制備方法，以增強(qiáng)材料的發(fā)光性質(zhì)，提高微晶玻璃的近紅外熒光強(qiáng)度和熒光壽命，使之有望在寬帶光放大器、高功率激光器、可調(diào)諧激光器等領(lǐng)域得到應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種鐿鎳共摻透明硅酸鹽微晶玻璃，其組成配比如下成分mol%Si025070Ga2031530Li201030NiO0.0051Yb2030.005~2上述鐿鎳共摻透明硅酸鹽微晶玻璃的制備方法，包括下列步驟(1)選定玻璃摩爾百分比組成配比，按該配比稱量一定總量的各原料，在瑪瑙研缽中研磨1060分鐘(2)將研磨好的原料放入鉑金坩鍋內(nèi)，于15001600'C進(jìn)行熔化，保溫時間l10小時；(3)將玻璃熔液澆注在一塊不銹鋼鋼板上，并用另一鋼板壓平，之后轉(zhuǎn)入馬弗爐內(nèi)在500580'C下進(jìn)行退火，保溫時間0.510小時，然后關(guān)閉馬弗爐電源讓玻璃隨爐降至室溫，取出即得透明玻璃；(4)以30(H:/h的升溫速率從室溫升到650700r，保溫120個小時，然后關(guān)閉馬弗爐電源讓玻璃隨爐冷卻到室溫，取出即可得到透明微晶玻璃。本發(fā)明的技術(shù)效果鐿鎳共摻玻璃及其透明微晶玻璃因NiO濃度不同而呈現(xiàn)不同顏色鐿鎳共摻玻璃隨NiO濃度增加而呈現(xiàn)微黃，淡黃，棕黃，黃棕色和棕色；鐿鎳共摻透明微晶玻璃隨NiO濃度增加而呈現(xiàn)近似無色，淡藍(lán)綠色，藍(lán)綠色和青綠色。本發(fā)明透明硅酸鹽微晶玻璃的微晶相為LiGas08尖晶石。在鐿鎳共摻透明微晶玻璃中，N嚴(yán)離子進(jìn)入LiGas08納米晶相中占據(jù)八面體六配位的位置，而￥1>3+離子由于與納米晶的空隙格位不匹配仍然留在玻璃相中(稀土類離子一般需要十二面體格位，而LiGas08納米晶中只有四面體和八面體兩種格位)。有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)微晶玻璃中NP離子SA^F)—ST2(SF)的吸收與YbS+離子^5/2—^7/2的發(fā)射具有大的光譜重疊，如圖l所示，因此有可能發(fā)生￥1)3+離子向N產(chǎn)離子的有效能量轉(zhuǎn)移，使得微晶玻璃中NP+離子的近紅外熒光性質(zhì)得到很大提高。我們的結(jié)果也證明￥1>3+離子向Nf+離子發(fā)生了有效能量轉(zhuǎn)移，大大提高了N產(chǎn)離子的近紅外發(fā)光性質(zhì)。本發(fā)明通過鐿向鎳的能量轉(zhuǎn)移以增強(qiáng)材料的發(fā)光性質(zhì)。通過鐿鎳共摻使微晶玻璃的近紅外熒光強(qiáng)度最高可提高約8.5倍，熒光壽命可從單摻鎳的480微秒提高到共摻時的920微秒，使得這種鐿鎳共摻的透明微晶玻璃有望在寬帶光放大器、高功率激光器、可調(diào)諧激光器等領(lǐng)域得到應(yīng)用。圖1是本發(fā)明對比實施例2微晶玻璃的發(fā)射光譜(曲線1，用激光波長為訴0nm的激光二極管激發(fā))和對比實施例3微晶玻璃的吸收光譜(曲線2)。圖2是本發(fā)明對比實施例3和實施例4至實施例7的微晶玻璃的發(fā)射光譜(激光波長為980nm的激光二極管激發(fā))。具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。表1列出了本發(fā)明玻璃的共11個實施例的組成及其摩爾百分比，相應(yīng)玻璃的顏色、熱處理制度、微晶玻璃的顏色和微晶玻璃在訴Onm泵浦光激發(fā)下的熒光峰位、半高寬、壽命的測試結(jié)果，其中實施例2和實施例3是對比例。實施例1該實施例的組成僅摻雜了微量的NiO和Yb203。本實施例透明微晶玻璃的制備方法如下按實施例1的組成配比稱量大約50g的原料，于瑪瑙研缽中研磨30分鐘，然后置于鉑金坩鍋內(nèi)在1550'C熔融2小時;玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼鋼板上，并用另一塊鋼板輕壓平，之后轉(zhuǎn)入馬弗爐內(nèi)在550X:下退火2小時，然后關(guān)閉馬弗爐電源讓玻璃隨爐降至室溫，取出即得透明玻璃，呈微黃色。將透明玻璃樣品放入馬弗爐內(nèi)以300'C/h的速率從室溫升到65(TC，保溫10小時，然后關(guān)閉馬弗爐電源讓玻璃樣品隨爐降到室溫，取出即可得到透明微晶玻璃，呈近似無色。該微晶玻璃樣品加工成7X7X2mm3，拋光后供測試之用。因摻雜濃度很低，980nm激光二極管泵浦下只有很弱的來自Ni^離子的近紅外發(fā)光，半高寬約206mn,室溫下的壽命約為85微秒。對比實施例2和對比實施例3對比實施例2和對比實施例3分別單摻了￥1)203和NiO。透明微晶玻璃的制備方法如下按對比實施例2和對比實施例3的組成配比分別稱量大約50g的原料，于瑪瑙研缽中研磨30分鐘，然后置于鉑金坩鍋內(nèi)在1600'C熔融2小時；玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼鋼板上，并用另一塊鋼板輕壓平，之后轉(zhuǎn)入馬弗爐內(nèi)在550C下退火2小時，然后關(guān)閉馬弗爐電源讓玻璃隨爐降至室溫，取出即得透明玻璃。對比實施例2玻璃呈無色，對比實施例3玻璃呈棕黃色。將透明玻璃樣品放入馬弗爐內(nèi)以300X:/h的速率從室溫升到660'C,保溫10小時，然后關(guān)閉馬弗爐電源讓玻璃樣品隨爐降到室溫，取出即可得到透明微晶玻璃。對比實施例2微晶玻璃呈無色，對比實施例3微晶玻璃呈淡綠色。微晶玻璃樣品加工成7X7X2mm3，拋光后供測試之用。圖1是對比實施例2微晶玻璃的發(fā)射(980nm激發(fā))光譜和對比實施例3微晶玻璃的吸收光譜，可以看到微晶玻璃中￥1)3+離子的1020nm發(fā)射和Ni^離子中心在1030nm的吸收相互重疊在一起，因此Yb"離子向N產(chǎn)離子的能量轉(zhuǎn)移是可能的。對比實施例3微晶玻璃980nm泵浦下的熒光光譜如圖2所示，熒光峰位在1290nm，熒光半高寬約為265nm，室溫下的壽命約為450微秒。實施例4至實施例7該四個實施例摻雜了不同含量的Yb203,而NiO的含量固定為0.1molX。透明微晶玻璃的制備方法如下按四個實施例的組成配比分別稱量大約50g的原料，于瑪瑙研缽中研磨30分鐘，然后置于鉑金坩鍋內(nèi)在1600C熔融2小時；玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼鋼板上，并用另一塊鋼板輕壓平，之后轉(zhuǎn)入馬弗爐內(nèi)在550C下退火2小時，然后關(guān)閉馬弗爐電源讓玻璃隨爐降至室溫，取出即得透明玻璃，均呈棕黃色。將透明玻璃樣品放入馬弗爐內(nèi)以300t:/h的速率從室溫升到680X:，保溫IO小時，然后關(guān)閉馬弗爐電源讓玻璃樣品隨爐降到室溫，取出即可得到透明微晶玻璃，均呈淡藍(lán)綠色。微晶玻璃樣品加工成7X7X2mm3，拋光后供測試之用。微晶玻璃的熒光光譜如圖2所示，可以看到隨著￥1>203濃度的增加N產(chǎn)離子的熒光強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，而在￥1)203濃度超過0.75mol^時熒光強(qiáng)度開始下降。與對比實施例3單摻NiO微晶玻璃的熒光強(qiáng)度相比，實施例4，5，6和7的熒光強(qiáng)度分別增強(qiáng)了約5.5，6.5，8.0和6.0倍，熒光半高寬提高了約1025nm,熒光壽命提高了約120440微秒。實施例8至實施例11該四個實施例摻雜了較高含量的NiO和Yb203。透明微晶玻璃的制備方法如下:按該四個實施例的組成配比分別稱量大約50g的原料，于瑪瑙研缽中研磨30分鐘，然后置于鉑金坩鍋內(nèi)在1600X:熔融2小時:玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼鋼板上，并用另一塊鋼板輕壓平，之后轉(zhuǎn)入馬弗爐內(nèi)在550x:下退火2小時，然后關(guān)閉馬弗爐電源讓玻璃隨爐降至室溫，取出即得透明玻璃；實施例8的玻璃呈黃棕色，其余三個呈棕色。將透明玻璃樣品放入馬弗爐內(nèi)以300lC/h的速率從室溫升到700lC,保溫10個小時，然后關(guān)閉馬弗爐電源讓玻璃樣品隨爐降到室溫，取出即可得到透明微晶玻璃。實施例8的微晶玻璃呈藍(lán)綠色，其余三個實施例的微晶玻璃呈青綠色。微晶玻璃樣品加工成7X7X2mm3,拋光后供測試之用。由于NiO和Yb203的摻雜濃度較高，NP+離子之間的濃度淬滅以及Ni&離子和￥1)3+離子之間的交叉弛豫大大降低了NP+離子的熒光強(qiáng)度，同時熒光壽命也大大縮短，而熒光峰位則隨NiO濃度增加逐漸紅移，熒光半高寬隨NiO濃度也逐漸增加，見表l。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>發(fā)射波長為訴0nm的半導(dǎo)體二極管泵浦續(xù)表l<table>complextableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1、一種鐿鎳共摻透明硅酸鹽微晶玻璃，其特征在于該微晶玻璃的組成配比如下成分mol％SiO250～70Ga2O315～30Li2O10～30NiO0.005～1Yb2O30.005～22、權(quán)利要求1所述的鐿鎳共摻透明硅酸鹽微晶玻璃的制備方法，其特征在于包括下列步驟(1)選定玻璃的組成配比，按該配比稱量一定總量的各原料，在瑪瑙研缽中研磨1060分鐘；(2)將研磨好的原料放入鉑金坩鍋內(nèi)，于15001600℃進(jìn)行熔化，保溫時間l10小時；(3)將玻璃熔液澆注在一塊不銹鋼鋼板上，并用另一鋼板壓平，之后轉(zhuǎn)入馬弗爐內(nèi)在500580X:下進(jìn)行退火，保溫時間0.510小時，然后關(guān)閉馬弗爐電源讓玻璃隨爐降至室溫，取出即得透明玻璃；(4)以300℃/h的升溫速率從室溫升到650700℃,保溫120個小時，然后關(guān)閉馬弗爐電源讓玻璃隨爐冷卻到室溫，取出即可得到透明微晶玻璃。全文摘要一種用于寬帶光放大的鐿鎳共摻透明硅酸鹽微晶玻璃及其制備方法，該微晶玻璃的組成配比如下SiO<sub>2</sub>50～70mol％；Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>15～30mol％；Li<sub>2</sub>O10～30mol％；NiO0.005～1mol％；Yb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>0.005～2mol％。按本發(fā)明方法制備的透明微晶玻璃，在980nm光源泵浦下能夠產(chǎn)生比單摻鎳的透明硅酸鹽微晶玻璃更強(qiáng)的近紅外通訊波段熒光，試驗表明本發(fā)明微晶玻璃的近紅外熒光強(qiáng)度比單摻鎳的微晶玻璃的可提高約8.5倍，熒光壽命可從單摻鎳的480微秒提高到共摻時的920微秒，有望在寬帶光放大器、高功率激光器、可調(diào)諧激光器等領(lǐng)域得到應(yīng)用。文檔編號C03C10/00GK101168473SQ200710046648公開日2008年4月30日申請日期2007年9月29日優(yōu)先權(quán)日2007年9月29日發(fā)明者喬延波,吳伯濤,邱建榮,健阮,陳丹平申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所