專利名稱：：摻鈷鋅鋁硅基透明玻璃陶瓷可飽和吸收體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及光功能玻璃陶瓷材料，特別是一種實(shí)現(xiàn)1.53m波段超短激光脈沖被動(dòng)調(diào)Q的摻鈷鋅鋁硅基透明玻璃陶瓷可飽和吸收體及其制備方法。
背景技術(shù)：
：隨著激光技術(shù)的發(fā)展，為提高激光器的某些性能，如壓縮激光脈沖寬度和增大脈沖輸出功率，出現(xiàn)了調(diào)Q技術(shù)。常見的調(diào)Q技術(shù)有主動(dòng)式調(diào)Q和被動(dòng)式調(diào)Q兩種。主動(dòng)式調(diào)Q激光器，是用電光調(diào)Q或機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q等，這類調(diào)制技術(shù)都要求外加脈沖高壓電源或高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)源，激光系統(tǒng)復(fù)雜、龐大，價(jià)格昂貴。相對(duì)于這些主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)而言，用腔內(nèi)可飽和吸收體的被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)是一種簡(jiǎn)單的技術(shù)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠等優(yōu)點(diǎn)，在中小功率激光器中被廣泛采用。對(duì)于不同波長(zhǎng)的激光已經(jīng)發(fā)展了許多可飽和吸收被動(dòng)調(diào)Q開關(guān)材料。在1.53微米被動(dòng)Q開關(guān)材料方面，南加州大學(xué)的激光研究中心首先研制報(bào)道了一些摻雜不同離子(如U2+、Co2+和Er3+等離子)的晶體材料作為被動(dòng)Q開關(guān)，摻雜這類離子的晶體材料可適用于1.53微米波長(zhǎng)的鉺玻璃激光器。眾所周知，制備高質(zhì)量的晶體材料具有很高的難度和成本，使得此類Q開關(guān)材料具有很高的價(jià)格。近年來(lái)，隨著微晶玻璃制備技術(shù)的發(fā)展，Co2+摻雜微晶玻璃Q開關(guān)材料的研制獲得了廣泛的關(guān)注，其中尤以Co2+摻雜硅酸鹽玻璃析出鎂鋁尖晶石晶相(MgAl204)的透明玻璃陶瓷材料研究居多，研究機(jī)構(gòu)主要是俄羅斯和白俄羅斯的有關(guān)研究院所(參見在先技術(shù)AlexanderM.Malyarevich，IgorA.Denisov，KonstantinV.Y咖ashev，etal，CobaltdopedtransparentglassceramicasasaturableabsorberQswitchforerbium:glasslasers,A卯l.Opt.，40(24)，4322(2001))。該研究所組織開展的玻璃陶瓷是熔融法制備的玻璃中熱處理后析出鎂鋁尖晶石晶相(MgAl204)，進(jìn)而研究其在近紅外波段的Q開關(guān)調(diào)制性能。在國(guó)內(nèi)，山東大學(xué)段秀蘭等(參見在先技術(shù)X.L.Duan，D.R.Ruan，F(xiàn).P.Yu，etal，transparentcobaltdopedMg0_Ga203_Si02nanoglassceramiccomposites,Appl.Phys.Lett.，89,183119(2006).)也開展了有關(guān)玻璃陶瓷材料的研制工作，其制備方法不是熔融法制備玻璃，而是用溶膠凝膠法制備玻璃基體，然后進(jìn)行熱處理進(jìn)而獲得透明的玻璃陶瓷材料，制備的晶相也屬于尖晶石晶相。采用溶膠凝膠法制備基體材料最大的缺點(diǎn)是由于化學(xué)成分的揮發(fā)造成大量的氣孔存在，會(huì)大幅度增加光的損耗，而不利于激光的輸出。鑒于1.53iim脈沖激光在激光測(cè)距等領(lǐng)域的重要性，進(jìn)一步探索和發(fā)展Cc)2+摻雜新型玻璃陶瓷Q開關(guān)材料具有重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種摻鈷鋅鋁硅基透明玻璃陶瓷可飽和吸收體及其制備方法。該組分的玻璃基體材料具有優(yōu)良的成玻璃性能，熱處理過(guò)程中的析晶過(guò)程可控性高，制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，獲得的透明玻璃陶瓷適用于1.53m波段超短激光脈沖的被動(dòng)3調(diào)Q。本發(fā)明具體的技術(shù)解決方案如下—種實(shí)現(xiàn)1.53iim波段超短激光脈沖被動(dòng)調(diào)Q的摻鈷鋅鋁硅基透明玻璃陶瓷可飽和吸收體，其特點(diǎn)在于，該玻璃陶瓷的摩爾百分比組成為組成mol%Si025055A12031013ZnO22.524.9K201015ln203313CoO0.10.5。2、權(quán)利要求1所述的摻鈷鋅鋁硅基透明玻璃陶瓷可飽和吸收體的制備方法，其特征是該方法包括下列步驟①選定所述的玻璃陶瓷各組成的摩爾百分比并按該摩爾百分比計(jì)算出玻璃各原料的重量，然后稱量各原料，混合均勻形成混合料；②將所述的混合料放入坩堝中，置于160(TC的硅鉬棒電爐中熔制58小時(shí)；③然后進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為35小時(shí)；④將所述的玻璃液澆出后放入已升溫至玻璃轉(zhuǎn)變溫度的馬弗爐中，保溫2小時(shí)后，以l(TC/小時(shí)的速度降溫至40(TC，然后再以20°C/小時(shí)的速度降至室溫，形成基體玻璃；⑤將所述的基體玻璃按照1020°C/小時(shí)的速度升溫至680°C，保溫10小時(shí)，然后以1520°C/小時(shí)的速度繼續(xù)升溫至75(TC，保溫3小時(shí)，然后在30分鐘內(nèi)降溫至500600°C，關(guān)掉馬弗爐電源，待樣品自然冷卻至室溫后取出，得到透明玻璃陶瓷。所述的原料的引入方式為Si02;A1203或Al(OH)3;ZnO;K20或K2C03;ln203;CoO或Co203或Co(N03).6H20。所述的坩堝為白金坩堝或剛玉坩堝。本發(fā)明的技術(shù)效果1、本發(fā)明基于鋅鋁硅酸鹽玻璃基體獲得了一種新的晶相(InA103(Zn0)15)的摻鈷透明玻璃陶瓷可飽和吸收體。2、ln203的加入作為成核劑保證了析晶的可控性。3、與玻璃基體相比熱處理后的玻璃陶瓷在1.5微米波段的吸收系數(shù)獲得大幅提高(參見附圖1給出的實(shí)施例2#樣品的吸收光譜)，說(shuō)明鈷離子進(jìn)入4配位環(huán)境中，從而獲得可飽和吸收體性能。4、本發(fā)明制備的透明玻璃陶瓷材料，經(jīng)初步的燈泵磷酸鹽鉺玻璃棒激光實(shí)驗(yàn)結(jié)果4表明具有Q調(diào)制性能，獲得壓縮脈沖至幾百納秒量級(jí)的單脈沖激光輸出。本發(fā)明通過(guò)對(duì)熔制好的基體玻璃進(jìn)行熱處理，在玻璃內(nèi)部獲得納米級(jí)尺寸的晶相析出，制得透明的微晶玻璃，Co"進(jìn)入析出的晶相中，從而使C^+處于四配位環(huán)境進(jìn)而獲得近紅外波段的可漂白性能。本發(fā)明的微晶玻璃制備工藝簡(jiǎn)單，析晶過(guò)程容易控制。相比單晶材料而言，生產(chǎn)周期短，成本低廉，且具有高的激光破壞閾值。經(jīng)初步的激光實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該透明玻璃陶瓷可用于1.53微米超短脈沖激光的被動(dòng)調(diào)制圖1為本發(fā)明沖實(shí)施例2#所獲得的基體玻璃和玻璃陶瓷的吸收光譜，樣品厚度為2mmc圖2為本發(fā)明中實(shí)施例2#制備的透明玻璃陶瓷的XRD衍射圖譜。經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜比對(duì)后，析出晶相為InA103(Zn0)15。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。表1給出了本發(fā)明8個(gè)具體實(shí)施例的玻璃配方。表1:具體8個(gè)實(shí)施例的玻璃配方<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>實(shí)施例1的制備工藝，其具體制備過(guò)程包括如下步驟①選定所述的玻璃陶瓷各組成的摩爾百分比如表1所示，并按該摩爾百分比計(jì)算出玻璃各原料的重量，然后稱量各原料，混合均勻形成混合料；②將所述的混合料放入坩堝中，置于160(TC的硅鉬棒電爐中熔制5小時(shí)；③然后進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為3.5小時(shí)；④將所述的玻璃液澆出后放入已升溫至玻璃轉(zhuǎn)變溫度65(TC的馬弗爐中，保溫2小時(shí)后，以10°C/小時(shí)的速度降溫至40(TC，然后再以20°C/小時(shí)的速度降至室溫，形成基體玻璃；⑤將所述的基體玻璃按照20°C/小時(shí)的速度升溫至68(TC，保溫10小時(shí)，然后以15°C/小時(shí)的速度繼續(xù)升溫至75(TC，保溫3小時(shí)，然后在30分鐘內(nèi)降溫至500600°C，關(guān)掉馬弗爐電源，待樣品自然冷卻至室溫后取出，得到透明玻璃陶瓷。實(shí)施例5、6及7#的制備工藝與實(shí)施例1完全相同。實(shí)施例2#的制備工藝的具體制備過(guò)程如下①選定所述的玻璃陶瓷各組成的摩爾百分比如表1所示，并按該摩爾百分比計(jì)算出玻璃各原料的重量，然后稱量各原料，混合均勻形成混合料；②將所述的混合料放入坩堝中，置于160(TC的硅鉬棒電爐中熔制6小時(shí)；③然后進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為4小時(shí)，形成玻璃液；④將所述的玻璃液澆出后放入已升溫至玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg=655°C)的馬弗爐中，保溫2小時(shí)后，以l(TC/小時(shí)的速度降溫至40(TC，然后再以20°C/小時(shí)的速度降至室溫，得到基體玻璃；⑤將所述的基體玻璃按照l(shuí)(TC/小時(shí)的速度升溫至68(TC保溫10小時(shí)，然后以20°C/小時(shí)的速度繼續(xù)升溫至75(TC，保溫3小時(shí)，然后在30分鐘內(nèi)降溫至60(TC，關(guān)掉馬弗爐電源，待樣品自然冷卻至室溫后取出，得到透明的玻璃陶瓷。將實(shí)施例2#制成樣品，經(jīng)測(cè)試，結(jié)果如圖1和圖2所示，圖1為實(shí)施例2#所獲得的基體玻璃和玻璃陶瓷的吸收光譜，樣品厚度為2mm。說(shuō)明鈷離子進(jìn)入4配位環(huán)境中，從而獲得可飽和吸收體性能。圖2為本發(fā)明中實(shí)施例2#制備的透明玻璃陶瓷的XRD衍射圖譜。經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜比對(duì)后，析出晶相為InA103(ZnO)15。實(shí)施例3#和4#的制備工藝與實(shí)施例2#完全相同。實(shí)施例8#的制備工藝的具體制備過(guò)程如下①選定所述的玻璃陶瓷各組成的摩爾百分比如表1所示，并按該摩爾百分比計(jì)算出玻璃各原料的重量，然后稱量各原料，混合均勻形成混合料；②將所述的混合料放入坩堝中，置于160(TC的硅鉬棒電爐中熔制8小時(shí)；③然后進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為5小時(shí)，形成玻璃液；④將所述的玻璃液澆出后放入已升溫至玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的馬弗爐中，保溫2小時(shí)后，以l(TC/小時(shí)的速度降溫至40(TC，然后再以20°C/小時(shí)的速度降至室溫，獲得基體玻璃；⑤將所述的基體玻璃按照20°C/小時(shí)的速度升溫至68(TC保溫10小時(shí)，然后以15°C/小時(shí)的速度繼續(xù)升溫至75(TC，保溫3小時(shí)，然后在30分鐘內(nèi)降溫至50(TC，關(guān)掉馬弗爐電源，待樣品自然冷卻至室溫后取出，得到透明的玻璃陶瓷。本發(fā)明制備的透明玻璃陶瓷材料，經(jīng)初步的燈泵磷酸鹽鉺玻璃棒激光實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明具有Q調(diào)制性能，獲得壓縮脈沖至幾百納秒量級(jí)的單脈沖激光輸出。權(quán)利要求一種實(shí)現(xiàn)1.53μm波段超短激光脈沖被動(dòng)調(diào)Q的摻鈷鋅鋁硅基透明玻璃陶瓷可飽和吸收體，其特征在于，該玻璃陶瓷的摩爾百分比組成為組成mol％SiO250～55Al2O310～13ZnO22.5～24.9K2O10～15In2O31～3CoO0.1～0.5。2.權(quán)利要求1所述的摻鈷鋅鋁硅基透明玻璃陶瓷可飽和吸收體的制備方法，其特征是該方法包括下列步驟①選定所述的玻璃陶瓷各組成的摩爾百分比并按該摩爾百分比計(jì)算出玻璃各原料的重量，然后稱量各原料，混合均勻形成混合料；②將所述的混合料放入坩堝中，置于160(TC的硅鉬棒電爐中熔制58小時(shí)；③然后進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為35小時(shí)；④將所述的玻璃液澆出后放入已升溫至玻璃轉(zhuǎn)變溫度的馬弗爐中，保溫2小時(shí)后，以l(TC/小時(shí)的速度降溫至40(TC，然后再以20°C/小時(shí)的速度降至室溫，形成基體玻璃；⑤將所述的基體玻璃按照1020°C/小時(shí)的速度升溫至68(TC，保溫10小時(shí)，然后以1520°C/小時(shí)的速度繼續(xù)升溫至750°C，保溫3小時(shí)，然后在30分鐘內(nèi)降溫至50060(TC，關(guān)掉馬弗爐電源，待樣品自然冷卻至室溫后取出，得到透明玻璃陶瓷。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述的原料的引入方式為Si02;A1203或Al(0H)3;ZnO;K20或K2C03;ln203;CoO或Co203或Co(N03).6H20。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述的坩堝為白金坩堝或剛玉坩堝。全文摘要一種實(shí)現(xiàn)1.53μm波段超短激光脈沖被動(dòng)調(diào)Q的摻鈷鋅鋁硅基透明玻璃陶瓷可飽和吸收體及其制備方法，該玻璃的摩爾百分比組成為SiO250～55mol％，Al2O310～13mol％，ZnO22.5～24.9mol％，K2O10～15mol％，In2O31～3mol％，CoO0.1～0.5mol％。其制備方法是先使用傳統(tǒng)的熔融法在硅鉬棒電爐中制備出硅酸鹽玻璃，然后通過(guò)熱處理工藝，在玻璃內(nèi)部獲得納米尺寸晶相的析出，制得透明的微晶玻璃陶瓷，本發(fā)明的微晶玻璃制備工藝簡(jiǎn)單，晶化過(guò)程容易控制。相比單晶材料而言，生產(chǎn)周期短，成本低廉，且具有高的激光破壞閾值。經(jīng)初步的激光實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該透明玻璃陶瓷可用作1.53微米超短脈沖激光的被動(dòng)調(diào)Q。文檔編號(hào)C03C10/00GK101723592SQ20091020142公開日2010年6月9日申請(qǐng)日期2009年12月18日優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日發(fā)明者于春雷,何冬兵,王孟,胡麗麗,陳力申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所