稀土法拉第磁光玻璃的制备与性能研究

摘要

法拉第磁光玻璃，又称旋光玻璃。当磁光玻璃置于磁场中，偏振光沿着平行于磁力线的方向通过玻璃时，偏振面将发生旋转。自然界中存在着一些物体，如水晶，即使不在磁场作用下也存在偏振面旋转的现象。由于磁光玻璃具有各向均匀性好、磁光性能优异且利于加工等特点，被广泛用于各种光学系统中。高Verdet常数的磁光玻璃被用于光学隔离器、激光调制器、磁光开关和磁光传感器中。在高功率核聚变激光系统等所有需要避免有害反射光的场合，都需要使用法拉第光旋转器或光隔离器。最早的磁光隔离器用重铅玻璃，Verdet常数低，光吸收大；后用中等Verdet常数的磷酸铈玻璃；现已毫无例外地使用高性能的铽掺杂硅酸盐玻璃。
　　 目前，对磁光玻璃的研究有两个方向，一是选用何种稀土掺杂，二是选择合适的基质玻璃，进而研究如何增大玻璃基质中稀土离子的掺杂浓度，提高玻璃的Verdet常数。但由于高浓度稀土离子在玻璃网络结构中表现出强烈的积聚作用，会破坏玻璃基质的网络结构，使玻璃成玻困难，或使玻璃的热稳定性和化学稳定性降低。因此，研究法拉第磁光玻璃的稀土离子的选择、玻璃基质及制备工艺的确定和Verdet常数的主要影响因素具有重要的意义。
　　 本实验以分析纯的氧化铽(Tb4O7)、氧化镝(Dy2O3)、硼酸(H3BO3)、氢氧化铝(Al(OH)3)、氧化硅(SiO2)和磷酸氢二氨((NH4)2HPO4）等为主要原料制备了稀土掺杂Al2O3-B2O3-SiO2(ABS)系统磁光玻璃。探索了高浓度稀土掺杂磁光玻璃的高温熔制工艺，并且采用差热分析仪(DSC)、X射线衍射分析仪(XRD)、法拉第效应测试仪、V棱镜折光仪、热膨胀仪、紫外/可见/近红外分光光度计(UV/VIS/NIR)等分析测试手段对磁光玻璃的结构、性能及它们之间的规律进行了表征和研究。本文对于稀土掺杂ABS玻璃的主要研究成果有：
　　 (1)物理性能分析表明，稀土掺杂ABS玻璃的Verdet常数、稀土离子有效浓度、密度、折射率随稀土掺量的增加而增大，但膨胀系数随之降低。Tb2O3单独掺杂时最大掺入量为35mol％，过量的Tb2O3在熔制过程中会发生团聚和沉降，Tb2O3、Dy2O3共同掺杂时，稀土氧化物掺杂量可以进一步提高到45mol％，玻璃的Verdet常数也进一步提高。
　　 (2)热处理前的XRD衍射只有两个较宽的弥散衍射峰，未出现特征峰，说明稀土掺杂熔融后形成了玻璃相，制成了玻璃。热处理后，主要析出六方相的TbBO3和偏硼酸锌ZnB4O7，还有少量六方相的Al3Tb(BO3)4。XRD较宽的弥散衍射峰，正好与TbBO3和ZnB4O7晶体较强的衍射峰对应，说明Tb2O3掺杂ABS玻璃的结构与这两种晶体的结构具有一定程度的相似性。
　　 (3)稀土氧化物含量提高，玻璃的透光率越降低；处于480m吸收峰依然是Tb3﹢的特征峰，而800nm、890nm、1270nm处的吸收峰来自Dy3﹢的电子跃迁；稀土离子的吸收峰的位置不随掺杂浓度的改变而变化，但吸收峰的强度随着稀土掺量浓度的增加而增强；由于Dy3﹢在近红外区存在较多的吸收峰，Dy2O3的掺量不宜过多。
　　 (4)DSC测试结果表明，随着稀土掺杂量的增加，玻璃的特征温度（Tg、Tc和Tm）呈递增的趋势，而析晶参数β随之先增大后减小，在稀土掺量为35mol％时出现极值，此时玻璃具有最佳成玻性能和热稳定性。
　　 (5)化学稳定性分析结果显示，玻璃基体中引入稀土离子的极化能力越强，玻璃的化学稳定性越好。稀土掺杂ABS玻璃的抗碱性＞抗水性〉抗酸性，且随着稀土掺量的增加，玻璃的化学稳定性先增大后减小，在其掺量为35mol％时，玻璃具有最佳化学稳定性。