专利名称：掺镱氟磷酸盐激光玻璃及其制备方法尽管世界范围内高功率激光系统，如NIF，ICF以及快点火项目，目前仍然采用掺 钕磷酸盐玻璃作为高功率激光增益介质，但是掺钕磷酸盐玻璃已经明显不能满足高功率激 光系统对更高激光峰值功率和峰值能量的要求。各发达国家皆在研发新的可适合更高功率 激光输出的激光增益介质材料，掺镱氟磷玻璃也是备选材料之一。这是因为，氟磷玻璃的材 料色散很小，非线性效应低，强激光作用下自聚焦损伤弱，其负折射率温度系数使光程改变 小，其有效增益截面宽而平坦，稀土离子寿命很长，这些特点使氟磷玻璃成为实现超高功率 和超短脉冲激光输出的理想介质。目前，德国已将掺镱氟磷玻璃成功应用于高功率超短脉 冲激光系统。众所周知，玻璃在掺杂稀土后容易析晶，更为重要的是，激光材料的小块体光谱实 验和激光实验对玻璃材料的要求是完全不同的。前者只需用几十克原料进行十几分钟的熔 化，成玻璃后即可进行一系列的光谱测试，对玻璃的成玻璃性能、析晶稳定性能和热稳定性 能要求很低；而后者却需要将数公斤甚至数百公斤的原料熔化十数小时至数十小时，析晶 稳定性能参数Tx-Tg(Tx为DTA或DSC测试中的析晶开始温度，Tg为转变温度)高的玻璃 在大尺寸制备时不一定有很好的成玻璃性能和析晶性能，因此需要寻找的是同时具有优良 析晶稳定性能和成玻璃性能以及优良热稳定性能的、适合大尺寸制作的玻璃组分，在摸索 和制定严格的工艺制度后，反复实验获得高均勻性的较大尺寸玻璃样品。具有优良光谱性 能的材料很可能无法进行长达十数小时甚至数十小时的大尺寸高均勻性玻璃样品制备，即 不能作为实用化的激光输出介质。世界上对激光氟磷玻璃的研究非常少，原因是适合长时间熔制的氟磷玻璃组分及 其熔制工艺很难掌控，因为在高温下氟磷玻璃成分中的氟化物会随熔制时间的延长及熔制 温度的提高产生大量的挥发，从而极大地影响到玻璃组分的稳定性，并因而影响样品最终 表现出来的成玻璃性能、析晶稳定性能、抗热冲击性能、机械性能等一系列物理化学性能。 因此，激光氟磷玻璃的实用化组成研究和熔制工艺研究是其实用化进程中重要的第一步。
本发明的目的是提供一种掺镱氟磷酸盐激光玻璃及其制备方法，该玻璃应具有较 高发射截面和荧光寿命、优良成玻璃性能、析晶稳定性能和热性能，是实现超高功率和超短 脉冲激光输出的实用化的介质材料。。本发明的技术解决方案如下—种掺镱氟磷激光玻璃，由磷酸盐和氟化物以及少量氧化物组成，其特点在于该 玻璃阳离子的摩尔百分比组成为:P5+ 21. 0-35. Omol %，Al3+ 10. 0-28. Omol %，Mg2+ 6. 0 15. 0mol%, Ca2+ :9. 5 13. 0mol%, Sr2+ :8. 0 13. 0mol%, Ba2+ :4. 5 11. 3mol%, Li+ 0 27. 0mol%, Na+ 2. 0 5. 0mol%, Nb5+ :0_1. 0mol%, Yb3+ 0 3. 0mol%。所述的掺镱氟磷玻璃的制备方法，其特点在于包括下列步骤①配料以A1 (P03) 3，Ba (P03) 3，LiP03, Mg (H2P04) 2，Sr (H2P04) 2，NaH2P04. 2H20, MgF2, CaF2, SrF2, BaF2, LiF，NaF, Nb205，YbF3作为引入所述的玻璃离子的原料，选定掺镱氟磷激光 玻璃组成的阳离子的摩尔百分比并选定引入离子的原料，称取一定重量的玻璃原料，充分 搅拌均勻形成玻璃配合料；②熔制首先将一个白金坩埚置于第一熔炉中并升温至900°C 950°C保温待用； 将第二熔炉升温至1050°C 1150°C，用另一个白金坩埚将所述的玻璃配合料分数次在所 述的第二熔炉中熔化后加入第一熔炉内的白金坩埚中；当所有玻璃液加入900°C 950°C 保温的白金坩埚后，将该炉温勻速升温至1050°C 1150°C，保温40分钟澄清，再勻速降温 至900 950°C，用叶桨搅拌2. 5 3. 5小时，叶桨转速为60r/min，后勻速降温至700°C 750°C保温30 40分钟，叶桨保持在lOr/min，再勻速降温至630°C 700°C，保温1小时后 出炉在铸铁模具上浇注玻璃；③玻璃退火将所浇注的玻璃放入已升温至该玻璃转变温度(Tg)的马弗炉中，保 温3小时，以2V /小时的速度退火至200°C，再以10°C /小时的速度退火至50°C后，关闭马弗炉，降温至室温。选定引入离子的原料的方法，包括如下步骤①首先根据选定的玻璃的阳离子摩尔百分比选定引入阳离子P5+的一个以上的磷 酸盐；②根据选定的组成中阳离子P5+的摩尔百分比含量，确定所述的磷酸盐的摩尔百 分比含量，计算所述的磷酸盐的摩尔百分比含量与所选定的P5+的摩尔百分比含量一致，同 时计算出所述的磷酸盐所含的其它阳离子的摩尔百分比含量；③用选定的玻璃组成中其它阳离子的摩尔百分比含量分别减去所述的磷酸盐中 所含的相应的阳离子的摩尔百分比含量，得到需要引入的各阳离子的摩尔百分比余量，这 部分阳离子的余量由相应的氟化物引入，当所选定的玻璃组成中有Nb5+离子时，该Nb5+离子 由Nb205引入，从而确定该玻璃的原料配比。本发明玻璃体系的特点是，采用普通的碱金属和碱土金属氟化物，不含LaF3，YF3 等较昂贵的氟化物组分，在掺杂了 1 3mol%的YbF3后，1立升熔制过程中，熔体保持了很 好的成玻璃性能、析晶稳定性能和热性能，并保持有1. 7 2. 3ms的荧光寿命值，最终实现 了简单谐振腔中单片玻璃660mW的激光输出。本发明的有益效果为经测试表明Yb3+离子在本体系中的荧光寿命高，阿贝数高，即色散低。其组分设 计完全适合于大容量长时间高温熔制要求，熔体的成玻璃性质、析晶性能和热稳定性能均 很理想，成功获得了可满足激光实验要求的高光学均勻性玻璃样品。简单谐振腔中单片玻 璃实验获得了 660mW的激光输出。一种掺镱氟磷酸盐激光玻璃及其制备方法，该玻璃由磷酸盐和氟化物以及少量氧化物组成，其中阳离子的摩尔百分组成为P5+21.0～35.0mol％，Al3+10.0～28.0mol％，Mg2+6.0～15.0mol％，Ca2+9.5～13.0mol％，Sr2+8.0～13.0mol％，Ba2+4.5～11.3mol％，Li+0～27.0mol％，Na+2.0～5.0mol％，Nb5+0～1.0mol％，Yb3+1.0～3.0mol％。采用传统熔融法制备。Yb3+在2mm样品中的荧光寿命介于1.70ms～2.3ms之间，阿贝数介于73.4～81.8之间。实验表明本发明掺镱激光玻璃是实现超高功率和超短脉冲激光输出的实用化的介质材料。