一种磷酸盐激光钕玻璃及其制备方法

1.本发明涉及玻璃技术领域，具体涉及一种磷酸盐激光钕玻璃及其制备方法。


背景技术：

2.磷酸盐玻璃由于其声子能量适中、对稀土离子溶解度高、稀土离子在磷酸盐基质玻璃中的光谱性能优良、对铂金离子的溶解度高、非线性系数小,成为大型激光装置中广泛使用的激光玻璃介质。钕离子在可见近红外区吸收峰多，宜采用氙灯等宽谱光源进行泵浦，且钕离子为四能级系统，常用作激光增益介质的激活离子。磷酸盐激光钕玻璃是一种以钕离子作为激活离子的磷酸盐玻璃，被广泛应用于各类激光系统。
3.由于在磷酸盐激光钕玻璃中存在量子亏损、激发态吸收、浓度淬灭等物理过程,一部分泵浦能量转化为热能并沉积在介质内部,致使介质温度升高，这使得激光材料内部产生了温度梯度、热应力和热应变,因而产生一系列热效应。以磷酸盐激光钕玻璃为增益介质的激光系统重复频率运行更会造成热效应的累积，热的存在会导致激光钕玻璃瞬时折射率变化，形成光程差，进而导致波前畸变。
4.激光通过放大器后光程差发生变化是主要由三方面的原因引起:第一是激光介质由于热膨胀产生端面形变；第二是由于热光效应导致钕玻璃片的折射率发生变化；第三是应变引起的双折射效应。在增益介质中，热导致的波前畸变是上述三种影响因素的综合效应。其中端面形变以及应力双折射导致的光程变化对温度的导数多为正值，而热光效应导致的光程对温度的导数(热光系数)有正有负。因此，可通过设计热光系数为负值的材料来降低热畸变效应。而目前常用的磷酸盐激光钕玻璃热光系数多为正值，如n31型激光钕玻璃热光系数为14
×
10-7
/℃，导致激光系统输出光束的光束质量恶化。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种磷酸盐激光钕玻璃及其制备方法，所述玻璃的热光系数不大于-5
×
10-7
/℃、受激发射截面不小于3.8
×
10-20
cm2，具有广阔的应用前景。
6.本发明的技术方案是这样实现的：
7.本发明提供一种磷酸盐激光钕玻璃，组成成分的摩尔百分比组成包括：
8.p2o
5 50-65mol％；
9.al2o
3 3-10mol％；
10.r2o 15-30mol％，其中r为li、na、k中的一种或多种，且k2o含量不小于15mol％；
11.mo 6-30mol％，其中m为mg、ba中的一种或多种，且bao含量不小于6mol％；
12.re2o
3 0.05-2mol％，其中re为nd、y、la中的一种，且nd2o3含量不小于0.05mol％；
13.nb2o
5 0.2-1.5mol％；
14.sb2o
3 0-1mol％。
15.作为本发明的进一步改进，其中，k2o na2o含量不小于18mol％。
16.作为本发明的进一步改进，所述玻璃的热光系数不大于-5
×
10-7
/℃。
17.作为本发明的进一步改进，所述玻璃的受激发射截面不小于3.8
×
10-20
cm2。
18.本发明进一步保护一种上述磷酸盐激光钕玻璃的制备方法，包括以下步骤：将玻璃各组分所对应的原料按比例称量，充分混合后加入铂金坩埚内，熔化、澄清、均化后降温；将熔融玻璃浇注入预热后的金属模具；将注入预热后的金属模具的熔融玻璃同金属模具一起放入退火炉内，待退火后得到磷酸盐钕玻璃。
19.作为本发明的进一步改进，所述熔化温度为900-1100℃。
20.作为本发明的进一步改进，所述浇注时熔融玻璃温度为900-1200℃。
21.本发明具有如下有益效果：本发明制得一种热光系数为负值的磷酸盐激光钕玻璃，所述玻璃的热光系数不大于-5
×
10-7
/℃、受激发射截面不小于3.8
×
10-20
cm2，除具有优异的激光增益特性之外，由于其具有较大负值的热光系数，可降低激光钕玻璃使用过程中的热效应，在高功率激光装置、固体激光器、激光测距等领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
22.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.在不考虑热应力的情况下，激光玻璃在高能激光作用下，热效应产生的光程差变化由折射率变化和玻璃尺寸变化引起，可由热光系数w进行表征：
[0024][0025]
其中s为激光通过玻璃的光程，t为温度，α为热膨胀系数，n为玻璃的折射率，dn/dt为折射率温度系数。折射率温度系数可表示为：
[0026][0027]
其中，γ为极化率，α为玻璃的热膨胀系数。从式中可以看出，当温度上升时，一方面由于玻璃的热膨胀使得玻璃的密度降低，从而导致玻璃折射率的降低。另一方面由于极化率的上升导致玻璃折射率的上升。因此，玻璃的折射率随温度变化取决于上述两种效应的总和。由上述两公式可推导出热光系数的如下表达式：
[0028][0029]
可见热光系数与膨胀系数和极化率呈负相关关系。为降低热光系数，所设计玻璃需要具有较高的膨胀系数，较大的极化率。对于同族元素，半径大的离子，一般具有相对较小的离子场强，致使相应的玻璃具有较大的膨胀系数，以及较高的离子极化率。因此，当玻璃中含有较多k2o、na2o以bao对降低玻璃的热光系数是有利的。
[0030]
下面结合实施例对本发明进行进一步说明：
[0031]
将实施例中的玻璃组分所对应的原料按比例称量，充分混合后加入铂金坩埚内，在900-1100℃下熔化、澄清、均化后降温；在900-1200℃左右将熔融玻璃浇注入预热后的金属模具；将注入预热后的金属模具的熔融玻璃同金属模具一起放入退火炉内，待退火后得
到磷酸盐钕玻璃，测试磷酸盐钕玻璃的相关性能参数如表1所示。
[0032]
表1
[0033][0034]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种磷酸盐激光钕玻璃，其特征在于，组成成分的摩尔百分比组成包括：p2o
5 50-65mol％；al2o
3 3-10mol％；r2o 15-30mol％，其中r为li、na、k中的一种或多种，且k2o含量不小于15mol％；mo 6-30mol％，其中m为mg、ba中的一种或多种，且bao含量不小于6mol％；re2o
3 0.05-2mol％，其中re为nd、y、la中的一种，且nd2o3含量不小于0.05mol％；nb2o
5 0.2-1.5mol％；sb2o
3 0-1mol％。2.根据权利要求1所述磷酸盐激光钕玻璃，其特征在于，其中，k2o na2o含量不小于18mol％。3.根据权利要求1所述磷酸盐激光钕玻璃，其特征在于，所述玻璃的热光系数不大于-5
×
10-7
/℃。4.根据权利要求1所述磷酸盐激光钕玻璃，其特征在于，所述玻璃的受激发射截面不小于3.8
×
10-20
cm2。5.一种如权利要求1-4任一项所述磷酸盐激光钕玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将玻璃各组分所对应的原料按比例称量，充分混合后加入铂金坩埚内，熔化、澄清、均化后降温；将熔融玻璃浇注入预热后的金属模具；将注入预热后的金属模具的熔融玻璃同金属模具一起放入退火炉内，待退火后得到磷酸盐钕玻璃。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述熔化温度为900-1100℃。7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述浇注时熔融玻璃温度为900-1200℃。

技术总结
本发明提出了一种磷酸盐激光钕玻璃及其制备方法，属于玻璃技术领域，组成成分的摩尔百分比组成包括：P2O550-65mol％；Al2O33-10mol％；R2O 15-30mol％，其中R为Li、Na、K中的一种或多种，且K2O含量不小于15mol％；MO 6-30mol％，其中M为Mg、Ba中的一种或多种，且BaO含量不小于6mol％；Re2O30.05-2mol％，其中Re为Nd、Y、La中的一种，且Nd2O3含量不小于0.05mol％；Nb2O50.2-1.5mol％；Sb2O30-1mol％。本发明制得的玻璃的热光系数不大于-5


技术研发人员：王欣 翁泽安 胡丽丽 陈树彬 唐景平
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：2022.03.09
技术公布日：2022/6/16