本發(fā)明涉及激光玻璃領(lǐng)域，特別是一種釹鐿共摻雜石英激光玻璃及其制備方法。

背景技術(shù)：

基于超強(qiáng)激光而提出的激光慣性約束核聚變(ICF)技術(shù)在解決人類清潔能源問題和保證國家安全方面具有十分重要的戰(zhàn)略意義。美國提出了激光慣性聚變能源(LIFE)計劃，開始致力于面向未來激光聚變能源發(fā)電的高功率重頻激光研究。聚變能發(fā)電一旦成功，有望為航母、空間站等大型軍事設(shè)施提供長期、可靠的電力供應(yīng)。對于用于可控聚變激光系統(tǒng)的激光增益材料的新的基本需求是：高功率高重頻輸出并有良好的熱力學(xué)性質(zhì)?，F(xiàn)有的激光材料無法滿足高重頻激光器運行對激光增益介質(zhì)的要求。石英玻璃具有極為優(yōu)異的機(jī)械、熱學(xué)和光學(xué)性能，其熱膨脹系數(shù)近乎為零，熱導(dǎo)率是現(xiàn)有激光玻璃的2倍，其抗熱震系數(shù)高達(dá)12w/cm，是YAG的1.5倍?；谶@一特性，開展石英基質(zhì)激光玻璃的研發(fā)，有望為實用化的激光聚變能源應(yīng)用提供一種重要候選材料。

另一方面，因超短脈沖激光技術(shù)在醫(yī)療、科研、工業(yè)加工等領(lǐng)域的重要應(yīng)用，而成為發(fā)展最為迅速的激光技術(shù)之一。當(dāng)前通過“混合型”釹玻璃作為增益介質(zhì)，可實現(xiàn)高能量和短脈沖的激光輸出，具有技術(shù)成熟，成本較低等優(yōu)點，因而是一種重要的超短脈沖激光輸出方案。而在超短脈沖激光中，激光的脈沖寬度與增益介質(zhì)的發(fā)射帶寬關(guān)系近似為：帶寬×脈沖持續(xù)時間≥0.44。顯然，為了得到更短的激光脈寬，尋找具有更寬發(fā)射帶寬的釹玻璃就顯得極其重要。

目前廣泛使用的磷酸鹽玻璃如N31或者硅酸鹽玻璃LG-680，其發(fā)射帶寬均在25nm左右，限制了其在超短脈沖激光中的應(yīng)用。國內(nèi)外先后改進(jìn)發(fā)展了幾種不同玻璃基質(zhì)的的摻釹寬帶熒光激光玻璃，如肖特公司研制出的硅鋁硼(Si-Al-B)基質(zhì)釹玻璃(專利申請?zhí)?01110228828.9)，可實現(xiàn)發(fā)射帶寬在35nm。眾所周知，在摻釹的石英玻璃基質(zhì)中可實現(xiàn)的發(fā)射帶寬超過50nm，但石英基激光玻璃的制備極為困難，而且單純石英玻璃基質(zhì)的發(fā)射截面較低，目前尚未有商品化的石英基激光玻璃產(chǎn)品。

Yb³⁺也是一種1微米波段的常用發(fā)光離子，其發(fā)光波段與Nd³⁺的1微米發(fā)光峰存在較大的重合。已有的研究結(jié)果表明，Nd³⁺和Yb³⁺之間存在較強(qiáng)的能量轉(zhuǎn)移過程，通過將兩種稀土離子共摻雜后可以一定程度上對1微米的發(fā)光帶寬進(jìn)行調(diào)控，獲得超寬帶1微米激光玻璃。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有摻釹激光玻璃在超短超強(qiáng)激光器應(yīng)用方面的不足，提供一種鐿釹共摻雜石英激光玻璃及其制備方法。該激光玻璃既可以實現(xiàn)超寬的熒光發(fā)射，同時基于石英基玻璃的近零膨脹性能，具備優(yōu)異的高重復(fù)頻率耐熱沖擊性能。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種釹鐿共摻雜石英激光玻璃，其特點在于該玻璃的組分如下：

上述的釹鐿共摻雜石英激光玻璃的制備方法，采用溶液浸泡法結(jié)合粉體燒結(jié)玻璃化進(jìn)行制備，該方法包括如下步驟：

1)準(zhǔn)備工作：從光纖預(yù)制棒生產(chǎn)企業(yè)購置通用外部氣相沉積工藝制備的未致密化的二氧化硅多孔疏松粉體，配置溶液：將一定量的氯化鋁、氯化鐿、氯化釹、磷酸加入乙醇中溶解，溶液中，氯化鐿的濃度為0.01～0.02mol/L，氯化釹的濃度為0.04～0.08mol/L，氯化鐿與氯化鋁的和與氯化鋁的摩爾比為1:10，磷酸的濃度為0.5～1mol/L，構(gòu)成氯化鋁、氯化鐿、氯化釹及磷酸的混合乙醇溶液；

2)浸泡法摻雜：將購置的二氧化硅多孔疏松粉體浸泡在所述的氯化鋁、氯化鐿、氯化釹及磷酸的混合乙醇溶液中，浸泡時間大于30分鐘，將浸泡后的疏松體經(jīng)過濾后取出，得到鐿釹共摻雜的二氧化硅疏松體；

3)脫水：將所述的鐿釹共摻雜二氧化硅疏松體置于管式爐中，在氧氣氣氛下，600～1000℃的條件下保溫5～12小時，除去殘余羥基，形成Yb、Nd、Al、P共摻的二氧化硅粉料；

4)采用球磨機(jī)對所述的Yb、Nd、Al、P共摻的二氧化硅粉料進(jìn)行球磨2～5h；

5)將球磨后所述的Yb、Nd、Al、P共摻的二氧化硅粉體置于剛玉坩堝中，在1650～2000℃的高溫爐中10^-1～10^-3Pa真空度下進(jìn)行1～8小時熔融，隨爐冷卻形成無氣泡透明玻璃，即為釹鐿共摻雜石英激光玻璃。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明制備的釹鐿共摻雜石英激光玻璃，具有極低的熱膨脹系數(shù)，其膨脹系數(shù)小于1×10-⁶/K，具有優(yōu)異的高重復(fù)頻率耐熱沖擊性能；

本發(fā)明制備的鐿釹共摻雜石英激光玻璃，在1微米波段具有超寬的熒光帶寬，有利于實現(xiàn)超短脈沖的激光輸出；

附圖說明

圖1為本發(fā)明釹鐿共摻雜石英激光玻璃實施例2在800-1500nm范圍內(nèi)的熒光光譜圖，樣品厚度2mm。

熒光光譜圖由FLS920型時間分辨光譜儀測量得到，使用氙燈作為激發(fā)源，激發(fā)波長為808nm。

圖2為本發(fā)明釹鐿共摻雜石英激光玻璃實施例2在300-1200nm范圍內(nèi)的吸收光譜圖，樣品厚度為2mm。

吸收光譜由Perkin-Elmer 900UV/VIS/NIR型分光光度計測得，測試波長范圍是300-1200nm。

圖3為本發(fā)明釹鐿共摻雜石英激光玻璃實施例2的熱膨脹曲線圖。

熱膨脹曲線由德國NETZSCH公司的Dilatometer402PC型膨脹儀測得，升溫速率為5℃/min。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。表1列出了本發(fā)明釹鐿共摻雜石英激光玻璃5個實施例的摩爾百分比組成。

表1釹鐿共摻雜石英激光玻璃實施例1-5的組成(mol％)

實施例1的制備方法如下：

1)準(zhǔn)備工作：從光纖預(yù)制棒生產(chǎn)企業(yè)購置采用外部氣相沉積工藝制備的未致密化的二氧化硅多孔疏松粉體。配置溶液：將一定量的氯化鋁、氯化鐿、氯化釹、磷酸加入乙醇中溶解，溶液中，氯化鐿的濃度為0.02mol/L，氯化釹的濃度為0.08mol/L，氯化鐿與氯化鋁的和與氯化鋁的摩爾比為1:10，磷酸的濃度為1mol/L，構(gòu)成氯化鋁、氯化鐿、氯化釹及磷酸的混合乙醇溶液；

2)浸泡法摻雜：將購置的二氧化硅多孔疏松粉體浸泡在所述的氯化鋁、氯化鐿、氯化釹及磷酸的混合乙醇溶液中，浸泡時間大于30分鐘，將浸泡后的疏松體經(jīng)過濾后取出。得到鐿釹共摻雜的二氧化硅疏松體；

3)脫水：將所述的摻雜二氧化硅疏松體置于管式爐中，于氧氣氣氛下，600℃的條件下保溫8小時除去殘余羥基，形成Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料；

4)采用球磨機(jī)對所述的Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料進(jìn)行球磨5h；

5)將球磨后的所述的Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料置于剛玉坩堝中，在1650℃的高溫爐中～10^-3Pa真空度下進(jìn)行5小時熔融，隨爐冷卻形成無氣泡透明玻璃。

實施例2的制備方法如下：

1)準(zhǔn)備工作：從光纖預(yù)制棒生產(chǎn)企業(yè)購置采用外部氣相沉積工藝制備的未致密化的二氧化硅多孔疏松粉體。配置溶液：將一定量的氯化鋁、氯化鐿、氯化釹、磷酸加入乙醇中溶解，溶液中，氯化鐿的濃度為0.01mol/L，氯化釹的濃度為0.04mol/L，氯化鐿與氯化鋁的和與氯化鋁的摩爾比為1:10，磷酸的濃度為0.5mol/L，構(gòu)成氯化鋁、氯化鐿、氯化釹及磷酸的混合乙醇溶液；

2)浸泡法摻雜：將購置的二氧化硅多孔疏松粉體浸泡在所述的氯化鋁、氯化鐿、氯化釹及磷酸的混合乙醇溶液中，浸泡時間大于30分鐘，將浸泡后的疏松體經(jīng)過濾后取出。得到鐿釹共摻雜的二氧化硅疏松體；

3)脫水：將所述的摻雜二氧化硅疏松體置于管式爐中，于氧氣氣氛下，1000℃的條件下保溫12小時除去殘余羥基，形成Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料；

4)采用球磨機(jī)對所述的Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料進(jìn)行球磨4h；

5)將球磨后的所述的Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料置于剛玉坩堝中，在2000℃的高溫爐中～10^-1Pa真空度下進(jìn)行8小時熔融，隨爐冷卻形成無氣泡透明玻璃。

實施例3的制備方法如下：

1)準(zhǔn)備工作：從光纖預(yù)制棒生產(chǎn)企業(yè)購置采用外部氣相沉積工藝(OVD)制備的未致密化的二氧化硅多孔疏松粉體。配置溶液：將一定量的氯化鋁、氯化鐿、氯化釹、磷酸加入乙醇中溶解，溶液中，氯化鐿的濃度為0.01mol/L，氯化釹的濃度為0.07mol/L，氯化鐿與氯化鋁的和與氯化鋁的摩爾比為1:10，磷酸的濃度為0.8mol/L，構(gòu)成氯化鋁、氯化鐿、氯化釹及磷酸的混合乙醇溶液；

2)浸泡法摻雜：將購置的二氧化硅多孔疏松粉體浸泡在所述的氯化鋁、氯化鐿、氯化釹及磷酸的混合乙醇溶液中，浸泡時間大于30分鐘，將浸泡后的疏松體經(jīng)過濾后取出。得到鐿釹共摻雜的二氧化硅疏松體；

3)脫水：將所述的摻雜二氧化硅疏松體置于管式爐中，于氧氣氣氛下，1000℃的條件下保溫10小時除去殘余羥基，形成Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料；

4)采用球磨機(jī)對所述的Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料進(jìn)行球磨5h；

5)將球磨后的所述的Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料置于剛玉坩堝中，在1800℃的高溫爐中～10^-1Pa真空度下進(jìn)行1小時熔融，隨爐冷卻形成無氣泡透明玻璃。

實施例4的制備方法如下：

1)準(zhǔn)備工作：從光纖預(yù)制棒生產(chǎn)企業(yè)購置采用外部氣相沉積工藝(OVD)沉積工藝制備的未致密化的二氧化硅多孔疏松粉體。配置溶液：將一定量的氯化鋁、氯化鐿、氯化釹、磷酸加入乙醇中溶解，溶液中，氯化鐿的濃度為0.015mol/L，氯化釹的濃度為0.06mol/L，氯化鐿與氯化鋁的和與氯化鋁的摩爾比為1:10，磷酸的濃度為0.75mol/L，構(gòu)成氯化鋁、氯化鐿、氯化釹及磷酸的混合乙醇溶液；

2)浸泡法摻雜：將購置的二氧化硅多孔疏松粉體浸泡在所述的氯化鋁、氯化鐿、氯化釹及磷酸的混合乙醇溶液中，浸泡時間大于30分鐘，將浸泡后的疏松體經(jīng)過濾后取出。得到鐿釹共摻雜的二氧化硅疏松體；

3)脫水：將所述的摻雜二氧化硅疏松體置于管式爐中，于氧氣氣氛下，1000℃的條件下保溫10小時除去殘余羥基，形成Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料；

4)采用球磨機(jī)對所述的Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料進(jìn)行球磨2h。

5)將球磨后的所述的Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料置于剛玉坩堝中，在1800℃的高溫爐中～10^-2Pa真空度下進(jìn)行1小時熔融，隨爐冷卻形成無氣泡透明玻璃。

實施例5的制備方法如下：

1)準(zhǔn)備工作：從光纖預(yù)制棒生產(chǎn)企業(yè)購置采用外部氣相沉積工藝(OVD)沉積工藝制備的未致密化的二氧化硅多孔疏松粉體。配置溶液：將一定量的氯化鋁、氯化鐿、氯化釹、磷酸加入乙醇中溶解，溶液中，氯化鐿的濃度為0.02mol/L，氯化釹的濃度為0.065mol/L，氯化鐿與氯化鋁的和與氯化鋁的摩爾比為1:10，磷酸的濃度為1mol/L，構(gòu)成氯化鋁、氯化鐿、氯化釹及磷酸的混合乙醇溶液；

2)浸泡法摻雜：將購置的二氧化硅多孔疏松粉體浸泡在所述的氯化鋁、氯化鐿、氯化釹及磷酸的混合乙醇溶液中，浸泡時間大于30分鐘，將浸泡后的疏松體經(jīng)過濾后取出。得到鐿釹共摻雜的二氧化硅疏松體；

3)脫水：將所述的摻雜二氧化硅疏松體置于管式爐中，于氧氣氣氛下，900℃的條件下保溫10小時除去殘余羥基，形成Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料；

4)采用球磨機(jī)對所述的Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料進(jìn)行球磨3h。

5)將球磨后的Yb/Nd/Al/P共摻的二氧化硅粉料置于剛玉坩堝中，在1800℃的高溫爐中～10^-2Pa真空度下進(jìn)行1小時熔融，隨爐冷卻形成無氣泡透明玻璃。