專利名稱:一種具有高紅外泵浦效率的摻鉺碲酸鹽玻璃及制備方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種摻鉺碲酸鹽玻璃,具體地說是一種具有高0.98μm紅外泵浦效率的摻鉺碲酸鹽玻璃及制備方法。
背景技術(shù):
摻鉺石英玻璃在0.98μm紅外光泵浦下具有高效1.5μm紅外發(fā)射的性能,是目前應(yīng)用于紅外1.5μm光通信窗口光放大器的基礎(chǔ)材料。由于大容量光通信的需要,寬帶1.5μm光通信是必然的發(fā)展方向。由于摻鉺石英玻璃的1.5μm紅外發(fā)射的帶寬窄,約30nm,不能滿足將來寬帶光通信需要,因此,具有寬帶和高效1.5μm發(fā)射的新型摻鉺玻璃的研制倍受關(guān)注。
摻鉺碲酸鹽玻璃具有大的1.5μm躍遷的吸收和發(fā)射截面,7~8×10-21cm2,高的1.5μm發(fā)射效率,>90%,和寬的1.5μm發(fā)射帶,>60nm,因此,摻鉺碲酸鹽玻璃的光學(xué)綜合性能優(yōu)于其它玻璃,是最有希望用于寬帶通信光放大的材料之一(J.S.Wang,E.M.Vogel,and E.Snitzer,Opt.Mater.,3,187(1994))。但是,摻鉺碲酸鹽玻璃存在的問題之一是,材料的聲子能量小~700cm-1,小于石英玻璃的1100cm-1,因此,在0.98μm泵浦下,4I11/2能級(jí)向4I13/2能級(jí)的弛豫速率小,導(dǎo)致光泵浦效率低,不利于4I13/2能級(jí)的布局積累和實(shí)現(xiàn)光放大。低的泵浦效率在光譜上表現(xiàn)為,1.5μm的發(fā)射強(qiáng)度與0.98μm的發(fā)射強(qiáng)度之比(以下簡稱“強(qiáng)度比”)小,因此,提高摻鉺碲酸鹽玻璃的強(qiáng)度比從而提高0.98μm泵浦效率是實(shí)現(xiàn)其用于寬帶光通信的重要環(huán)節(jié)之一。
國際上,韓國電子和通信研究所(Doo Hee Cho,Yong Gyu Choi,andKyong Hon Kim,ETRI Journal 23(4),151(2001);Y.G.Choi,D.S.Lim,K.H.Kim,D.H.Cho,and H.K.Lee,Electron.Lett.35(20))、英國Leeds大學(xué)(Shaoxiong Shen,Mira Naftaly,and Animesh Jha,Opt.Comm.205,101(2002))開展了提高摻鉺碲酸鹽玻璃4I11/2能級(jí)向4I13/2能級(jí)弛豫速率的研究工作。韓國研究人員利用多聲子弛豫原理,通過向玻璃中引入B2O3顯著提高了弛豫速率,一方面,表現(xiàn)為強(qiáng)度比顯著增提高,但是,另一方面,由于B-O鍵具有大的聲子振動(dòng)能~1500cm-1,因此,B2O3的引入也加快了1.5μm發(fā)射的無輻射速率,明顯降低了1.5μm發(fā)射的量子效率,玻璃綜合光學(xué)性能下降。韓國和Leeds大學(xué)研究人員利用能量傳遞原理,通過引入稀土氧化物Ce2O3獲得了較好的結(jié)果。在碲鎢玻璃中引入4%重量比的Ce2O3后,強(qiáng)度比增至原來碲鎢玻璃的3倍,同時(shí)1.5μm發(fā)射的量子效率不受影響,反映在1.5μm發(fā)射壽命不變短。中國的研究人員(Jianhu Yang,Liyan Zhang,Lei wen,Shixun Dai Lili Hu,andZhonghong Jiang,Chem.Phys.Lett.384,295(2004))嘗試摻雜Eu3+和Tb3+利用能量傳遞提高強(qiáng)度比,實(shí)驗(yàn)表明,1.5μm發(fā)射效率明顯下降,玻璃綜合光學(xué)性能下降。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在于利用多聲子弛豫原理,引入具有恰當(dāng)聲子能量的添加劑,目的是提供一種具有高紅外泵浦效率的摻鉺碲酸鹽玻璃及制備方法,能大幅度提高強(qiáng)度比,達(dá)到原來的4倍以上,同時(shí)保持1.5μm發(fā)射的量子效率不受影響。
本發(fā)明關(guān)鍵內(nèi)容在于,在通常摻鉺碲酸鹽玻璃中引入NH4H2PO4和Li2CO3、和/或Na2CO3、和/或K2CO3,玻璃的組成可用下式表示通常摻鉺碲酸鹽玻璃組分+xP2O5+yM2O其中M為堿金屬Li、和/或Na、和/或K,引入堿金屬M(fèi)的作用是提高磷的溶解度;x,y分別為P2O5和M2O的摩爾百分?jǐn)?shù),其中,0<x<20,0<y<50。
本發(fā)明所用原料分別為NH4H2PO4和Li2CO3、和/或Na2CO3、和/或K2CO3。
本發(fā)明的玻璃制備方法描述如下。
本發(fā)明是在玻璃中加入TeO2、WO3、Er2O3,同時(shí)加入本發(fā)明所用的原料NH4H2PO4和Li2CO3、和/或Na2CO3、和/或K2CO3。按表達(dá)式通常摻鉺碲酸鹽玻璃組分+xP2O5+yM2O的組成計(jì)算稱取原料。
將上述原料充分磨混均勻,置入高純剛玉坩堝或鉑坩堝中,放入爐中;在600℃-1200℃溫度內(nèi)加熱1-3小時(shí)后,取出迅速倒在事先預(yù)熱的模具上形成玻璃樣品。
將玻璃樣品放入300℃-500℃的爐中,緩慢降溫退火30-50小時(shí),溫度降至室溫。退火后的玻璃經(jīng)切割、拋光處理,得到含P2O5的摻鉺碲酸鹽玻璃。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于,不同于國際報(bào)道的利用能量傳遞原理引入Ce2O3的方法,而是利用多聲子弛豫原理,在通常摻鉺碲酸鹽玻璃中引入具有恰當(dāng)聲子能量約1200cm-1的P2O5,可大幅度提高強(qiáng)度比,能達(dá)到原來的4倍以上,高于國際報(bào)道的水平,并且保持1.5μm發(fā)射的量子效率不受影響,具體見附圖1和圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖1摻鉺碲鎢磷玻璃40TeO2-(0.39.5-x)WO3-20Li2O-xP2O5-0.5Er2O3,不同摻磷比例下的紅外發(fā)射譜,0.8μm激發(fā)。顯示,隨磷增加,0.98μm發(fā)射減弱,1.5μm發(fā)射相對(duì)增強(qiáng)。表明這種新型摻鉺碲酸鹽玻璃具有高的0.98μm光泵浦效率。
圖2摻鉺碲鎢磷玻璃40TeO2-(0.39.5-x)WO3-20Li2O-xP2O5-0.5Er2O3,1.5μm發(fā)射強(qiáng)度與0.98μm發(fā)射強(qiáng)度比和1.5μm發(fā)射能級(jí)壽命與摻磷比例的變化。顯示,當(dāng)摻磷比例為7%時(shí),強(qiáng)度比增大到原摻鉺碲鎢玻璃的4倍,且壽命不減少。表明這種新型摻鉺碲酸鹽玻璃在具有高的0.98μm光泵浦效率的同時(shí),并且保持1.5μm發(fā)射的量子效率不受影響?!稹ⅰ龇謩e表示1.5μm發(fā)射的壽命和強(qiáng)度比。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1制備P2O5含量為1%摩爾比的摻鉺碲鎢磷玻璃。稱取6.38gTeO2,8.92g WO3,1.48g Li2CO3,0.23g NH4H2PO4,和0.19g Er2O3。將它們混合,磨混均勻后放入剛玉坩堝中蓋上蓋,在爐中920℃熔化成液態(tài)3小時(shí)后,然后快速取出倒在事先已預(yù)熱的鋼板上成形。將玻璃樣品放入400℃高溫爐中,緩慢降溫退火,退火時(shí)間經(jīng)30-50小時(shí)至室溫。最后將玻璃樣品按需要切割、拋光和清洗處理,得到體色為淺粉色的玻璃,其組成為40TeO2-38.5WO3-20Li2O-P2O5-0.5Er2O3。該玻璃的紅外發(fā)射對(duì)應(yīng)圖1中x=1的光譜。
實(shí)施例2制備P2O5含量為2%摩爾比的摻鉺碲鎢磷玻璃。稱取6.38gTeO2,7.53g WO3,1.85g Li2CO3,0.46g NH4H2PO4,和0.19g Er2O3。將它們混合,磨混均勻后放入剛玉坩堝中蓋上蓋,在爐中940℃熔化成液態(tài)3小時(shí)后,然后快速取出倒在事先已預(yù)熱的鋼板上成形。將玻璃樣品放入400℃高溫爐中,緩慢降溫退火,退火時(shí)間經(jīng)30-50小時(shí)至室溫。最后將玻璃樣品按需要切割、拋光和清洗處理,得到體色為淺粉色的玻璃,其組成為40TeO2-32.5WO3-25Li2O-2P2O5-0.5Er2O3,該玻璃的紅外發(fā)射對(duì)應(yīng)圖1中x=2的光譜。
實(shí)施例3制備P2O5含量為5%摩爾比的摻鉺碲鎢磷玻璃。稱取6.38gTeO2,5.68g WO3,2.22g Li2CO3,1.15g NH4H2PO4,和0.19g Er2O3。將它們混合,磨混均勻后放入剛玉坩堝中蓋上蓋,在爐中960℃熔化成液態(tài)3小時(shí)后,然后快速取出倒在事先已預(yù)熱的鋼板上成形。將玻璃樣品放入400℃高溫爐中,緩慢降溫退火,退火時(shí)間經(jīng)30-50小時(shí)至室溫。最后將玻璃樣品按需要切割、拋光和清洗處理,得到體色為淺粉色的玻璃,其組成為40TeO2-24.5WO3-30Li2O-5P2O5-0.5Er2O3.該玻璃的紅外發(fā)射對(duì)應(yīng)圖1中x=5的光譜。
實(shí)施例4制備P2O5含量為7%摩爾比的摻鉺碲鎢磷玻璃。稱取6.38gTeO2,5.22g WO3,2.22g Li2CO3,1.61g NH4H2PO4,和0.19g Er2O3。將它們混合,磨混均勻后放入剛玉坩堝中蓋上蓋,在爐中980℃熔化成液態(tài)3小時(shí)后,然后快速取出倒在事先已預(yù)熱的鋼板上成形。將玻璃樣品放入400℃高溫爐中,緩慢降溫退火,退火時(shí)間經(jīng)30-50小時(shí)至室溫。最后將玻璃樣品按需要切割、拋光和清洗處理,得到體色為淺粉色的玻璃,其組成為40TeO2-22.5WO3-30Li2O-7P2O5-0.5Er2O3.該玻璃的紅外發(fā)射對(duì)應(yīng)圖1中x=7的光譜,光譜強(qiáng)度比大于4。
實(shí)施例5制備P2O5含量為15%摩爾比的摻鉺碲磷玻璃。稱取6.38g TeO2,3.29g Li2CO3,3.45g NH4H2PO4,和0.19g Er2O3。將它們混合,磨混均勻后放入剛玉坩堝中蓋上蓋,在爐中1000℃熔化成液態(tài)3小時(shí)后,然后快速取出倒在事先已預(yù)熱的鋼板上成形。將玻璃樣品放入400℃高溫爐中,緩慢降溫退火,退火時(shí)間經(jīng)30-50小時(shí)至室溫。最后將玻璃樣品按需要切割、拋光和清洗處理,得到體色為淺粉色的玻璃,其組成為40TeO2-44.5Li2O-15P2O5-0.5Er2O3。
權(quán)利要求
1.一種具有高紅外泵浦效率的摻鉺碲酸鹽玻璃,其特征在于引入NH4H2PO4和Li2CO3、和/或Na2CO3、和/或K2CO3,玻璃的組成可用下式表示通常摻鉺碲酸鹽玻璃組分+xP2O5+yM2O其中M為堿金屬Li、和/或Na、和/或K,x,y分別為P2O5和M2O的摩爾百分?jǐn)?shù),0<x<20,0<y<50。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高紅外泵浦效率的摻鉺碲酸鹽玻璃,其特征在于M為堿金屬Li,0<x<20,0<y<50。
3.一種具有高紅外泵浦效率的摻鉺碲酸鹽玻璃的制備方法,其特征在于在制備摻鉺碲酸鹽的玻璃過程中,同時(shí)加入原料NH4H2PO4和Li2CO3、和/或Na2CO3、和/或K2CO3;按表達(dá)式通常摻鉺碲酸鹽玻璃組分+xP2O5+yM2O的組成計(jì)算稱取原料;將上述原料充分磨混均勻,置入高純剛玉坩堝或鉑坩堝中,放入爐中;在600℃-1200℃溫度內(nèi)加熱1-3小時(shí)后,取出迅速倒在事先預(yù)熱的模具上形成玻璃樣品;將玻璃樣品放入300℃-500℃的爐中,緩慢降溫退火30-50小時(shí),溫度降至室溫;退火后的玻璃經(jīng)切割、拋光處理,得到含P2O5的摻鉺碲酸鹽玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有高紅外泵浦效率的摻鉺碲酸鹽玻璃的制備方法,其特征在于稱取6.38g TeO2,8.92g WO3,1.48g Li2CO3,0.23g NH4H2PO4,和0.19gEr2O3,磨混均勻后放入剛玉坩堝中蓋上蓋,在爐中920℃熔化成液態(tài)3小時(shí)后,快速取出倒在事先已預(yù)熱的鋼板上成形;將玻璃樣品放入400℃高溫爐中,緩慢降溫退火,退火時(shí)間經(jīng)30-50小時(shí);最后將玻璃樣品按需要切割、拋光和清洗處理,得到體色為淺粉色的玻璃,其組成為40TeO2-38.5WO3-20Li2O-P2O5-0.5Er2O3。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有高紅外泵浦效率的摻鉺碲酸鹽玻璃的制備方法,其特征在于稱取6.38g TeO2,7.53g WO3,1.85g Li2CO3,0.46g NH4H2PO4,和0.19gEr2O3,磨混均勻后放入剛玉坩堝中蓋上蓋,在爐中940℃熔化成液態(tài)3小時(shí)后,快速取出倒在事先已預(yù)熱的鋼板上成形;將玻璃樣品放入400℃高溫爐中,緩慢降溫退火,退火時(shí)間經(jīng)30-50小時(shí);最后將玻璃樣品按需要切割、拋光和清洗處理,得到體色為淺粉色的玻璃,其組成為40TeO2-32.5WO3-25Li2O-2P2O5-0.5Er2O3。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有高紅外泵浦效率的摻鉺碲酸鹽玻璃的制備方法,其特征在于稱取6.38g TeO2,5.68g WO3,2.22g Li2CO3,1.15g NH4H2PO4,和0.19gEr2O3,磨混均勻后放入剛玉坩堝中蓋上蓋,在爐中960℃熔化成液態(tài)3小時(shí)后,快速取出倒在事先已預(yù)熱的鋼板上成形;將玻璃樣品放入400℃高溫爐中,緩慢降溫退火,退火時(shí)間經(jīng)30-50小時(shí);最后將玻璃樣品按需要切割、拋光和清洗處理,得到體色為淺粉色的玻璃,其組成為40TeO2-24.5WO3-30Li2O-5P2O5-0.5Er2O3。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有高紅外泵浦效率的摻鉺碲酸鹽玻璃的制備方法,其特征在于稱取6.38g TeO2,5.22g WO3,2.22g Li2CO3,1.61g NH4H2PO4,和0.19gEr2O3,磨混均勻后放入剛玉坩堝中蓋上蓋,在爐中980℃熔化成液態(tài)3小時(shí)后,快速取出倒在事先已預(yù)熱的鋼板上成形;將玻璃樣品放入400℃高溫爐中,緩慢降溫退火,退火時(shí)間經(jīng)30-50小時(shí);最后將玻璃樣品按需要切割、拋光和清洗處理,得到體色為淺粉色的玻璃,其組成為40TeO2-22.5WO3-30Li2O-7P2O5-0.5Er2O3。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有高紅外泵浦效率的摻鉺碲酸鹽玻璃的制備方法,其特征在于稱取6.38g TeO2,3.29g Li2CO3,3.45g NH4H2PO4,和0.19g Er2O3,磨混均勻后放入剛玉坩堝中蓋上蓋,在爐中1000℃熔化成液態(tài)3小時(shí)后,快速取出倒在事先已預(yù)熱的鋼板上成形;將玻璃樣品放入400℃高溫爐中,緩慢降溫退火,退火時(shí)間經(jīng)30-50小時(shí);最后將玻璃樣品按需要切割、拋光和清洗處理,得到體色為淺粉色的玻璃,其組成為40TeO2-44.5Li2O-15P2O5-0.5Er2O3。
全文摘要
本發(fā)明屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域,是一種具有高效紅外泵浦效率的摻鉺碲酸鹽玻璃及制備方法。在通常摻鉺碲酸鹽玻璃中引入NH
文檔編號(hào)C03C4/00GK1803686SQ200510016528
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2005年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月13日
發(fā)明者張家驊, 駱永石, 王笑軍 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所