光學(xué)功能玻璃激光玻璃

光學(xué)功能玻璃激光玻璃第一頁，共三十二頁，2022年，8月28日

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(xué)材料,主要當(dāng)作透過、成像、濾光等材料，近代光學(xué)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(xué)功能材料。玻璃在光學(xué)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(xué)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，2022年，8月28日光子玻璃種類和功能第三頁，共三十二頁，2022年，8月28日光學(xué)功能玻璃的特點(diǎn)

（1）高度的光學(xué)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，2022年，8月28日2.1激光玻璃

激光玻璃與其它激光工作物質(zhì)（晶體、半導(dǎo)體等）相比，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）化學(xué)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(xué)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，2022年，8月28日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(xué)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。

第六頁，共三十二頁，2022年，8月28日

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(xué)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(dāng)重要。

第七頁，共三十二頁，2022年，8月28日（1）激活離子的發(fā)光機(jī)構(gòu)中必須有亞穩(wěn)態(tài)，形成三能級或四能級機(jī)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(dá)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，2022年，8月28日（2）基質(zhì)玻璃必須有各種適當(dāng)?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，2022年，8月28日（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(qiáng)的吸收，會使基質(zhì)玻璃的透明度下降。）

第十頁，共三十二頁，2022年，8月28日

（4）必須有良好的光學(xué)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(xué)性能，便于制造、加工和使用，失透傾向小，化學(xué)穩(wěn)定性高，有一定的機(jī)械強(qiáng)度。

第十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日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(xué)性能，制造工藝比較簡單成熟，易獲得光學(xué)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(yīng)用最廣的激光玻璃。第十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日

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(xué)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。

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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(diǎn)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(diǎn)是化學(xué)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(xué)玻璃

<50,火石類光學(xué)玻璃第十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日

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(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)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，2022年，8月28日

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(yīng)力層，提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)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(xué)性能較差，熔體對耐火材料侵蝕較大。第十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日（2）硼酸鹽及硼硅酸鹽系統(tǒng)玻璃當(dāng)激光器采用高重復(fù)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，2022年，8月28日激光閾值

在激光器中，當(dāng)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(bǔ)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，2022年，8月28日

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(xiàng)物理化學(xué)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，2022年，8月28日（3）磷酸鹽系統(tǒng)玻璃特點(diǎn)：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(qiáng)，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(fù)頻率工作的激光玻璃。缺點(diǎn)：化學(xué)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(xué)均勻性較差，玻璃的析晶傾向嚴(yán)重。

第二十頁，共三十二頁，2022年，8月28日

多采用BaO－P2O5系統(tǒng)，引入部分Al2O3或La2O3，可改善玻璃的化學(xué)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，2022年，8月28日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(dāng)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，2022年，8月28日這是因?yàn)殁S離子的濃度過大時會產(chǎn)生濃度猝滅效應(yīng)，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?jǐn)?shù)）時，效率可較大。

第二十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日濃度猝滅效應(yīng)當(dāng)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(qiáng)度下降。第二十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日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(dá)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(jìn)入玻璃，引起玻璃棒的破裂）。④提高玻璃的光學(xué)均勻性。第二十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日（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(yàn)→切割→成品

第二十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日②鉑坩堝熔煉的改進(jìn)（目的：減少鉑顆粒夾雜物）因?yàn)殂K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(hù)氣體效果較好。（用氫氣或氮?dú)馊钥赡苌摄K顆粒）。

第二十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日

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，2022年，8月28日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(dá)400L，玻璃量達(dá)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，2022年，8月28日陶瓷坩堝熔煉工藝方法缺點(diǎn)：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，2022年，8月28日⑤陶瓷坩堝熔煉的改進(jìn)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