專利名稱：一種聚光腔玻璃及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功能材料，具體涉及一種激光器中玻璃聚光腔所用的可強烈吸收紫外光和1064nm紅外光的玻璃材料組成及其制備方法。
背景技術(shù)：
摻釹釔鋁石榴石晶體激光器(Nd:YAG激光器)由Nd:YAG激光晶體棒、激勵光源、聚光器、冷卻和濾光裝置組成。Nd:YAG晶體吸收光譜中的主要吸收區(qū)為500-900nm，脈沖氪燈在此范圍內(nèi)的發(fā)光能量約占全部光能的50-60％。對Nd:YAG晶體材料來說，脈沖氪燈發(fā)出的波長小于400nm的紫外輻射對產(chǎn)生1064nm激光貢獻不大，但卻會使晶體發(fā)熱或產(chǎn)生有害的色心，晶體工作溫度過高時，會引起熒光發(fā)射的溫度猝滅效應(yīng)，也會引起晶體的光學均勻性變差，從而影響激光的產(chǎn)生。此外，由Nd:YAG激光晶體產(chǎn)生的1064nm的雜散光經(jīng)聚光器反射回激光晶體棒中，產(chǎn)生退泵浦效應(yīng)，影響激光的產(chǎn)生。因此應(yīng)采用一定的方法濾掉紫外光和1064nm光。目前常用的方法有濾光液法和濾光玻璃法濾光液法以連續(xù)方式或重復(fù)脈沖方式工作的Nd:YAG激光器需要進行強制冷卻，在流經(jīng)晶體棒周圍的冷卻液中加入亞硝酸鈉、重鉻酸鉀等鹽類可以吸收紫外光。通常濃度為0.5-1.0％的重鉻酸鉀溶液基本上能濾掉波長小于400nm的紫外輻射。這種方法的缺點是濾光溶液易在棒表面和水管內(nèi)沉積，致使器件效率下降，鹽溶液對金屬材料有一定腐蝕性。
濾光玻璃法將JB4或JB5型硒鎘有色玻璃制成水冷套管或制成玻璃片放置于聚光器的燈與棒之間，JB4或JB5型硒鎘有色玻璃在紫外吸收很強，基本上可以濾掉紫外光，但硒鎘有色玻璃在近紅外沒有吸收帶，無法吸收1064nm的雜散光。
發(fā)明創(chuàng)造內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的以上問題，提供了一種新型的用于聚光腔的玻璃材料，該玻璃可強烈吸收紫外光和1064nm紅外光，同時在可見光區(qū)域有較高透過率。
本發(fā)明提供的聚光腔玻璃，其為含有25-70wt％的稀土氧化物的硼硅酸鹽玻璃，且滿足以下性能要求T＜340nm＜1％，T650-860nm＞90％，T1064nm＜5％。
上述聚光腔玻璃中，所述稀土氧化物為25-70wt％的Sm2O3和外加的0.5-1.0wt％的CeO2。
上述聚光腔玻璃，基本由如下組分組成10-36wt％SiO2，5-15wt％B2O3，5-10wt％Al2O3，5-22.5wt％RO，RO為氧化鋅與氧化鋇的組合或氧化鋅、氧化鋇和氧化鎂的組合，以及25-70wt％的稀土氧化物。
具體地，所述聚光腔玻璃由以下組分組成15.0-30.0wt％SiO2，10.0-15.0wt％B2O3，5.0-10.0wt％Al2O3，0-5.0％MgO，1.0-3.5wt％ZnO，1.0-14.0％BaO，以及30.0-61.5wt％的Sm2O3，外加0.5-1.0wt％的CeO2。
更具體的，所述聚光腔玻璃由以下組分組成30.0wt％SiO2，14.5wt％B2O3，5.0wt％Al2O3，3.0wt％ZnO，3.5wt％MgO，14.0wt％BaO，以及30.0wt％的Sm2O3，外加1.0wt％的CeO2。
本發(fā)明的另一目的是提供上述聚光腔玻璃的制備方法。
本發(fā)明所述聚光腔玻璃的制備方法，采用熔體冷卻法，將含有上述組分的引入物原料充分混合后在1400-1550℃熔制3-8小時，澆鑄退火而得到；所述引入物原料為氧化物、碳酸鹽或硝酸鹽。
依據(jù)以上技術(shù)方案，本發(fā)明的玻璃材料中含有高含量的Sm2O3和CeO2。稀土氧化物可以吸收紫外、可見、紅外區(qū)的各種波長的光，含稀土氧化物的玻璃在上述波段存在一系列很窄的吸收峰，其中CeO2在紫外波段，Sm2O3在1064nm附近有強吸收峰。因此，本發(fā)明聚光腔玻璃在紫外(＜340nm)和1064nm處產(chǎn)生強烈吸收，而在可見光區(qū)域有較高透過率(約90％)，性能可達到T＜340nm＜1％，T650-860nm＞90％，T1064nm＜5％。因此，該玻璃材料可以直接用于制作Nd:YAG激光器的玻璃聚光腔，而不再需要其它濾光裝置。


圖1本發(fā)明制備的高稀土含量硼硅酸鹽玻璃形成區(qū)域圖；圖2本發(fā)明實例1玻璃的透過率曲線；圖3本發(fā)明實例2玻璃的透過率曲線。
具體實施例方式
本發(fā)明首先提供一種聚光腔玻璃，其為高稀土含量硼硅酸鹽玻璃，其組成為10-36wt％的SiO2，5-15wt％的B2O3，5-10wt％的Al2O3，5-22.5wt％的RO，25-70wt％的稀土氧化物，所述稀土氧化物為CeO2和Sm2O3；其中R代表二價金屬，具體為鋅、鋇、鎂。
本發(fā)明玻璃材料中采用了大量稀土氧化物。稀土元素的4f軌道部分填充，4f電子亞層被5s5p電子亞層覆蓋，使得外力的影響受到有效屏蔽。稀土離子能級是多重態(tài)分裂，能級和譜線比一般元素復(fù)雜得多，它可以吸收紫外、可見、紅外區(qū)的各種波長的光。含稀土氧化物玻璃在上述波段存在一系列很窄的吸收峰，其中CeO2在紫外波段，Sm2O3在1064nm附近有強吸收峰。含大量稀土氧化物的無堿硼硅酸鹽玻璃熔制溫度高，高溫粘度低，稀土離子具有高價高場強的特性，因而離子積聚力強易產(chǎn)生析晶。因此在玻璃組成中加入適量的SiO2提高熔體粘度，改善析晶性能。玻璃中還引入了Al2O3和ZnO，Al2O3和ZnO均有四配位和六配位，在有足夠游離氧的條件下，可以生成比較穩(wěn)定的鋁氧四面體，而由于較強的極化作用，ZnO可能形成鋅氧四面體，改善析晶性能。
本發(fā)明中的高稀土含量硼硅酸鹽玻璃的制備方法可采用熔體冷卻法，玻璃配合料引入物可為氧化物、碳酸鹽或硝酸鹽，配合料經(jīng)充分攪拌，混合均勻，放入氧化鋁坩堝或白金坩堝中，在1400-1550℃熔制3-8小時，并攪拌保證良好的均勻性，澆鑄時熔體溫度約為1300-1450℃。本發(fā)明中的聚光腔玻璃成分中的SiO2、ZnO可提高玻璃耐酸的化學穩(wěn)定性，Al2O3等成分可提高玻璃在水中的化學穩(wěn)定性，該玻璃具有較大硬度，軟化溫度和轉(zhuǎn)變溫度較高，Tg約為600-700℃，膨脹系數(shù)約為55-75×10-7/℃，折射率較高約為1.52-1.65。
圖1示出了本發(fā)明含稀土硼硅酸鹽玻璃形成區(qū)域圖，從中可知形成體SiO2和B2O3總含量不小于50mol％(換算成重量百分比約為20wt％)，否則將不能形成玻璃，稀土氧化物的最大摻入量約為33mol％(換算成重量百分比約為70wt％)，此時玻璃在紫外和1064nm處可產(chǎn)生強烈吸收。
實施例1稱取二氧化硅30.0克，硼酸25.7克，氫氧化鋁7.7克，碳酸鋇18.0克，堿式碳酸鎂8.8克，氧化鋅3.0克，氧化釤30.0克，氧化鈰1.0克(稀土氧化物采用3N級原料，純度大于99.9％，其它引入物采用分析純化學試劑)，將原料充分混合均勻，加入至溫度為1450℃的氧化鋁坩堝中，熔制時間為5小時，并攪拌保證良好的均勻性，澆鑄時熔體溫度約為1350℃，退火溫度為650℃，即可得到玻璃毛坯，再經(jīng)精密加工制成橢圓柱體，并鍍反射膜可以制成玻璃聚光腔。
該例聚光腔玻璃組成如下30.0wt％SiO2，14.5wt％B2O3，5.0wt％Al2O3，14.0wt％BaO，3.0wt％ZnO，3.5wt％MgO，30.0wt％Sm2O3，外加1.0wt％CeO2。其中B2O3用硼酸引入，Al2O3用氫氧化鋁引入，BaO用碳酸鋇引入，MgO用堿式碳酸鎂引入，其余成分均用氧化物引入。圖2為該玻璃(厚度＝2.0mm的玻璃樣品)的透過率曲線，從該曲線可以看出，玻璃在紫外(＜340nm)和1064nm處產(chǎn)生強烈吸收，而在可見光區(qū)域有較高透過率(約90％)，其性能T＜340nm＜1％，T650-860nm＞90％，T1064nm＜5％。
實施例2稱取二氧化硅36.5克，硼酸19.5克，氧化鋁5.0克，碳酸鋇18.0克，氧化鎂5.0克，氧化鋅3.5克，氧化釤25.0克，外加氧化鈰0.5克(稀土氧化物采用3N級原料，純度大于99.9％，其它引入物采用分析純化學試劑)，將原料充分混合均勻，加入至溫度為1500℃的氧化鋁坩堝中，熔制時間為6小時，并攪拌保證良好的均勻性，澆鑄時熔體溫度約為1400℃，退火溫度為600℃，即可得到玻璃毛坯，玻璃精密加工方法同實例1。
該例聚光腔玻璃組成如下36.5wt％SiO2，11.0wt％B2O3，5.0wt％Al2O3，14.0wt％BaO，3.5wt％ZnO，5.0wt％MgO，25.0wt％Sm2O3，外加0.5wt％CeO2。其中B2O3用硼酸引入，BaO用碳酸鋇引入，其余成分均用氧化物引入。圖3為該玻璃的透過率曲線。從該曲線可以看出，玻璃在紫外(＜340nm)和1064nm處產(chǎn)生強烈吸收，而在可見光區(qū)域有較高透過率(約90％)。其性能T＜340nm＜1％，T650-860nm＞90％，T1064nm＜5％。
實施例3稱取二氧化硅11.0克，硼酸23.3克，氧化鋁9.5克，碳酸鋇4.5克，氧化鋅1.5克，氧化釤61.4克，氧化鈰0.5克(稀土氧化物采用3N級原料，純度大于99.9％，其它引入物采用分析純化學試劑)，將原料充分混合均勻，加入至溫度為1550℃的氧化鋁坩堝中，熔制時間為3小時，并攪拌保證良好的均勻性，澆鑄時熔體溫度約為1400℃，退火溫度為600℃，即可得到玻璃毛坯，玻璃精密加工方法同實例1。
該例聚光腔玻璃組成如下11.0wt％SiO2，13.1wt％B2O3，9.5wt％Al2O3，3.5wt％BaO，1.5wt％ZnO，61.4wt％Sm2O3，外加0.5wt％CeO2。其中B2O3用硼酸引入，BaO用碳酸鋇引入，其余成分均用氧化物引入。經(jīng)測試，該玻璃其性能T＜340nm＜1％，T650 -860nm＞90％，T1064nm＜5％。
實施例4稱取二氧化硅10.8克，硼酸9.2克，氧化鋁8.9克，碳酸鋇4.6克，氧化鋅1.5克，氧化釤70.0克，外加氧化鈰0.5克(稀土氧化物采用3N級原料，純度大于99.9％，其它引入物采用分析純化學試劑)，將原料充分混合均勻，加入至溫度為1480℃的氧化鋁坩堝中，熔制時間為8小時，并攪拌保證良好的均勻性，澆鑄時熔體溫度約為1300℃，退火溫度為600℃，即可得到玻璃毛坯，玻璃精密加工方法同實例1。
該例聚光腔玻璃組成如下10.8wt％SiO2，5.2wt％B2O3，8.9wt％Al2O3，1.5wt％ZnO，3.6wt％BaO，70.0wt％Sm2O3，外加0.5wt％CeO2。其中B2O3用硼酸引入，BaO用碳酸鋇引入，其余成分均用氧化物引入。經(jīng)測試，該玻璃其性能T＜340nm＜1％，T650 -860nm＞90％，T1064nm＜5％。
權(quán)利要求
1.一種聚光腔玻璃，其為含有25-70wt％的稀土氧化物的硼硅酸鹽玻璃，且滿足以下性能要求T＜340nm＜1％，T650-860nm＞90％，T1064nm＜5％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光腔玻璃，其特征在于，所述稀土氧化物為25-70wt％的Sm2O3和外加的0.5-1.0wt％的CeO2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聚光腔玻璃，其特征在于，基本由如下組分組成10-36wt％SiO2，5-15wt％B2O3，5-10wt％Al2O3，5-22.5wt％RO，RO為氧化鋅與氧化鋇的組合或氧化鋅、氧化鋇和氧化鎂的組合，以及25-70wt％的稀土氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聚光腔玻璃，其特征在于，具體由以下組分組成15.0-30.0wt％SiO2，10.0-15.0wt％B2O3，5.0-10.0wt％Al2O3，0-5.0％MgO，1.0-3.5wt％ZnO，1.0-14.0％BaO，以及30.0-61.5wt％的Sm2O3，外加0.5-1.0wt％的CeO2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聚光腔玻璃，其特征在于，具體由以下組分組成30.0wt％SiO2，14.5wt％B2O3，5.0wt％Al2O3，3.0wt％ZnO，3.5wt％MgO，14.0wt％BaO，以及30.0wt％的Sm2O3，外加1.0wt％的CeO2。
6.一種權(quán)利要求3所述聚光腔玻璃的制備方法，采用熔體冷卻法，將含有所述組分的引入物原料充分混合后在1400-1550℃熔制3-8小時，澆鑄退火而得到；所述引入物原料為氧化物、碳酸鹽或硝酸鹽。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的聚光腔玻璃的制備方法，其特征在于，得到的所述聚光腔玻璃，應(yīng)滿足以下組分要求15.0-30.0wt％SiO2，10.0-15.0wt％B2O3，5.0-10.0wt％Al2O3，0-5.0％MgO，1.0-3.5wt％ZnO，1.0-14.0％BaO，以及30.0-61.5wt％的Sm2O3，外加0.5-1.0wt％的CeO2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型的用于聚光腔的玻璃材料，其為含有25－70wt％的稀土氧化物的硼硅酸鹽玻璃，且滿足以下性能要求T
文檔編號C03C4/00GK1613805SQ20041009145
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月24日
發(fā)明者高祀建, 關(guān)銘, 劉峻, 朱永昌 申請人:中國建筑材料科學研究院