專利名稱：磷酸鹽激光釹玻璃的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光釹玻璃，特別是一種具有受激發(fā)射截面高、二階非線性折射率低、熱光系數(shù)小，合適應用于高功率激光裝置的磷酸鹽激光釹玻璃。
背景技術(shù)：
隨著高功率激光裝置的規(guī)模不斷擴大，激光輸出能量在不斷提高。在單位表面積激光能量密度達到一定量級后，光束在材料中傳播時由非線性引發(fā)的材料自聚焦破壞必須引起重視。在高激光強度作用下，材料的折射率按下式隨激光強度變化n＝n0+n2φ(1)式中n2是二階非線性折射率，n0是在沒有激光通過時材料的折射率，Φ是在材料中傳播的激光強度。由上式可知，n2越小，在同樣的激光強度下，材料的折射率越小，由自聚焦引發(fā)的破壞可能性也越小。磷酸鹽激光釹玻璃在高功率激光裝置中主要是用作激光放大器的工作物質(zhì)，為了實現(xiàn)高增益，要求釹玻璃的受激發(fā)射截面盡可能大，熒光壽命盡可能長。為此，必須設(shè)計合適的材料組成，以獲得較小的n2同時，受激發(fā)射截面高、熒光壽命長，以實現(xiàn)高的激光增益。目前國內(nèi)現(xiàn)有N31型磷酸鹽激光釹玻璃，請參閱[N31激光釹玻璃驗收報告(1998年12月)]，雖然其受激發(fā)射截面較高(3.9×10-20cm2)，但是n2也較大(1.16×10-13esu)，不能滿足未來高功率激光裝置輸出能量不斷增加對材料非線性折射率的要求。國際上雖然有多篇關(guān)于磷酸鹽激光釹玻璃的專利[1、Y.T.Hayden，et al，“Phosphate glass useful in high power lasers”US patent，No.55263692、H.Toratani，et al，“Optical phosphate glass in which the length of the lightpath is temperature independent”US patent，No.41086733、J.S.Hayden，“Phosphate glass useful in lasers”US patent，No.53345594、J.S.Hayden，et al，“Phosphate glass useful in high power lasers”，US patent，No.5032315但是目前還沒有關(guān)于高受發(fā)射截面、低二階非線性折射率，同時又滿足熱光系數(shù)小的磷酸鹽激光釹玻璃的專利文獻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有高受發(fā)射截面、低二階非線性折射率的磷酸鹽激光釹玻璃，克服現(xiàn)有磷酸鹽激光釹玻璃的不足，滿足將來高功率激光裝置輸出能量不斷增加的需要。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種磷酸鹽激光釹玻璃的組成范圍如下氧化物 成份范圍(mol％)P2O555-65Al2O34-10MO(M＝Mg，Zn) 7-15R2O(R＝Li，Na，K) 18-30R2O3(R＝B，La，Y，Sb，Nd) 2-3該磷酸鹽激光釹玻璃可以采用已有的半連續(xù)熔煉技術(shù)[參見“生產(chǎn)磷酸鹽玻璃的裝置”，專利號為ZL 00259385.8，申請日20001130]進行制備。制備方法是選定本發(fā)明的配方，稱量各原料并均勻混合之后，投入石英坩堝熔化成玻璃態(tài)，之后將玻璃熔體注入鉑金坩堝進行攪拌澄清。最后澆注成型，退火冷卻后即可。
本發(fā)明技術(shù)路線是通過降低磷酸鹽激光釹玻璃的線性折射率和色散，達到減少二階非線性折射率n2的目的，同時通過加大常用的能夠提高釹離子發(fā)射截面的若干成分，增加釹玻璃受激發(fā)射截面，通過成分調(diào)整，使材料綜合性能達到最佳。
材料的二階非線性折射率n2可以用下式表達
n2=68(nd2+2)2(nd-1)υ{1.517+[υ(nd2+2)(nd+1)/6nd}1/2---(2)]]>由上式可見，要獲得小的n2值，必須使材料的線性折射率nd小、阿倍數(shù)ν大，也即材料色散小。通過采用對折射率貢獻小的一價堿金屬氧化物Li2O，Na2O或K2O，以及折射率小的二價堿土金屬氧化物MgO或ZnO，以降低磷酸鹽激光釹玻璃的折射率和色散。通過控制玻璃中高價氧化物的量進一步將玻璃色散控制在較小的范圍。最后達到顯著降低n2的目的。
根據(jù)已有的各氧化物對釹離子受激發(fā)射截面的影響規(guī)律，為提高釹玻璃的受激發(fā)射截面，同時又保證玻璃具有比較好的生產(chǎn)、加工特性，需要采用較高含量的一價堿金屬氧化物，以及適當含量的Al2O3。但是過高含量的一價堿金屬氧化物會使玻璃的化學穩(wěn)定性性變差，并且熱膨脹系數(shù)過高。適當含量的Al2O3可以提高玻璃的化學穩(wěn)定性，同時又不使受激發(fā)射截面降低很明顯。該玻璃由于含較高的一價堿金屬氧化物，以及適當含量的Al2O3，具有熱光系數(shù)dS/dT小的特點，也即強激光引起的熱效應不會導致光程的變化。同時該發(fā)明磷酸鹽激光釹玻璃的受激發(fā)射截面高、二階非線性系數(shù)小，這三種特性使得本發(fā)明的釹玻璃非常適合在高功率激光裝置上使用。


圖1是本發(fā)明釹玻璃和現(xiàn)有N31磷酸鹽激光釹玻璃增益性質(zhì)比較圖2是本發(fā)明釹玻璃和N31釹玻璃的熒光壽命與釹離子濃度的關(guān)系曲線圖具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明具體實施例見表一所示。表中給出了玻璃的組成(摩爾百分比)，相應玻璃的比重d(g/cm3)、線性nd和非線性折射率n2(10-13esu)，玻璃的受激發(fā)射截面σ(10-20cm2)，熒光有效線寬Δλeff(nm)，部分熱光系數(shù)dS/dT(10-7/K)和玻璃的轉(zhuǎn)變溫度Tg(℃)。
表一低n2、高受激發(fā)射截面釹玻璃成分與性質(zhì)

圖1為本發(fā)明釹玻璃的激光增益與目前國內(nèi)高功率激光裝置使用的N31釹玻璃的比較?？梢园l(fā)現(xiàn)，二種玻璃的增益相當。表明本發(fā)明釹玻璃在降低了非線性折射率的同時，沒有降低釹玻璃材料的激光性質(zhì)。
與已有的N31釹玻璃相比較，本發(fā)明釹玻璃的熒光壽命大于同等濃度下N31釹玻璃熒光壽命?，F(xiàn)有N31釹玻璃和本發(fā)明釹玻璃的熒光壽命與釹離子濃度關(guān)系比較如圖2所示。根據(jù)已有理論，在受激發(fā)射截面相當?shù)那闆r下，熒光壽命長容易獲得較多的上能級反轉(zhuǎn)粒子，有利于獲得高的激光增益。
此外，表2給出了本發(fā)明釹玻璃和N31釹玻璃主要性質(zhì)比較。本發(fā)明的釹玻璃具有比N31釹玻璃小的熱光系數(shù)dS/dT，熱效應對激光光路影響幾乎為零。這將有利于實現(xiàn)高功率激光裝置的較高重復頻率運行。上述性質(zhì)均體現(xiàn)了本發(fā)明釹玻璃的優(yōu)越性。
表二、本發(fā)明玻璃與現(xiàn)有N31型釹玻璃主要性質(zhì)比較

權(quán)利要求
1.一種磷酸鹽激光釹玻璃，其特征在于該玻璃的組成配方的范圍如下氧化物 成份范圍(mol％)P2O555-65Al2O34-10MO(M＝Mg，Zn) 7-15R2O(R＝Li，Na，K) 18-30R2O3(R＝B，La，Y，Sb，Nd) 2-3。
2.一種權(quán)利要求1所述的磷酸鹽激光釹玻璃的制備方法，其特征在于該方法的步驟是①選定玻璃的成份配方，稱量玻璃各原料；②將原料均勻混合之后，投入石英坩堝熔化成玻璃態(tài)；③將玻璃熔體注入鉑金坩堝進行攪拌澄清；④澆注成型，退火冷卻后即可。
全文摘要
一種磷酸鹽激光釹玻璃的組成范圍如下氧化物成分范圍(mol％)；P
文檔編號C03C3/12GK1765795SQ20051002905
公開日2006年5月3日 申請日期2005年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月24日
發(fā)明者胡麗麗, 王標, 李順光, 陳樹彬, 陳偉 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所