提高稀土离子掺杂锗酸盐玻璃2μm波段荧光发射的方法

摘要

本发明提供了一种提高稀土离子掺杂锗酸盐玻璃2μm波段荧光发射的方法，通过三价稀土金属氧化物控制多组分锗酸盐激光玻璃中非桥氧和桥氧的比例，实现对玻璃网络结构的自由度的可控性调整，从而提高稀土发光离子在基质玻璃中的掺杂浓度和分散性，减少稀土发光离子团簇，获得增强的2μm波段荧光发射，且保证基质玻璃具有良好的抗析晶性能和机械加工性能以及较低的声子能量，为高增益的2μm波段有源光纤的研制提供关键基质材料。

说明书

技术领域

本发明涉及2μm波段激光玻璃领域，具体涉及一种提高稀土离子掺杂锗酸盐玻璃2μm波段荧光发射的方法。

背景技术

2μm波段激光位于人眼安全波长范围内且处于大气光传输的低损耗窗口，包含了1940nm附近的水吸收峰，在激光雷达、激光探测、激光医疗和环境监测等许多领域有重要应用价值。此外，2μm波段激光也是中红外激光(3-5μm)的理想泵浦源。目前，2μm波段光纤激光器已成为激光技术研究领域中的热点之一。

产生2μm波段发光的稀土离子主要有Tm³⁺和Ho³⁺。在1988年，英国南安普顿大学D.C.Hanna等人制备出掺Tm³⁺石英玻璃单模光纤并构建了谐振腔，首次在光纤激光器中获得2μm波段激光输出，但是由于Tm³⁺的掺杂浓度很低，导致光纤的增益系数低，获得的激光斜率效率为13％，最高输出功率仅2.7mW。随后，研究人员通过共掺Ge或Al等优化掺Tm³⁺石英光纤，但是其掺杂浓度仍较低，导致激光输出效率和功率受限。这主要是因为石英玻璃存在固有的分相区，使得稀土离子掺杂浓度低，导致石英玻璃光纤在2μm波段的单位增益≤2dB/cm，从而限制了2μm波段光纤激光器的发展。

近些年来，研究人员将目光转向稀土离子溶解度高的多组分玻璃，主要为多组分的碲酸盐玻璃、硅酸盐玻璃和锗酸盐玻璃。然而，碲酸盐玻璃的机械加工性能差，抗激光损伤阈值低，从而限制了其实际应用。与硅酸盐玻璃相比，多组分锗酸盐玻璃具有更宽的红外透过范围、更低的声子能量和更高的激光效率，特别是已在军事和民用上获得实际应用的钡镓锗酸盐玻璃体系，是更为理想的2μm波段激光基质材料。目前，2μm波段多组分锗酸盐玻璃光纤中Tm³⁺掺杂浓度较低(≤5.5wt％)，其单位增益较低(≤3.6dB/cm)。

具有高的发光效率的激光玻璃是研制高增益的有源玻璃光纤的核心材料，通过在激光玻璃中掺杂高浓度的稀土发光离子可实现其高效发光。然而，在玻璃中进行高浓度稀土离子掺杂时，稀土离子会发生团簇，从而降低了发光效率，限制了光纤的增益。因此，亟需一种能够提高基质玻璃中稀土发光离子的溶解度和分散性以实现高效发光的方法。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的是提供一种提高稀土离子掺杂多组分锗酸盐激光玻璃2μm波段荧光发射的方法，为高增益的2μm波段有源光纤提供关键基质材料。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种提高稀土离子掺杂锗酸盐玻璃2μm波段荧光发射的方法，通过三价稀土金属氧化物控制稀土发光离子掺杂的多组分锗酸盐(BaO-Ga₂O₃-GeO₂)激光玻璃中非桥氧和桥氧的比例在0.6～0.75之间，实现对玻璃网络结构的自由度的可控性调整，从而提高所述稀土发光离子在所述多组分锗酸盐激光玻璃中的掺杂浓度和分散性，减少稀土发光离子团簇，实现增强的2μm波段荧光发射。

进一步地，还同时保证所述稀土离子掺杂的多组分锗酸盐激光玻璃具有良好的抗析晶性能(ΔT≥130℃，其中ΔT＝T_x-T_g,，T_x表示玻璃开始析晶温度，Tg表示玻璃化转变温度)和机械加工性能(可采用机械冷加工来制备光纤预制棒)以及较低的声子能量(≤900cm^-1)，可用于制备为高增益的2μm波段有源光纤提供关键基质材料。

本发明的目的还通过以下技术方案实现：

一种提高稀土离子掺杂锗酸盐玻璃2μm波段荧光发射的方法，所述稀土发光离子掺杂的多组分锗酸盐激光玻璃的氧化物组成包括：

其中，R₂O₃为包含至少一种用于2μm波段发光的稀土发光离子的氧化物；Ln₂O₃为三价稀土金属氧化物中的一种或任几种的组合，Ln选自La、Y、Lu、Sc或Gd。

进一步地，所述用于2μm波段发光的稀土发光离子为Tm³⁺和/或Ho³⁺，其在所述多组分锗酸盐激光玻璃中的掺杂浓度不低于6wt％。

进一步地，所述R₂O₃还包括0～7.5wt％(以在所述稀土发光离子掺杂的多组分锗酸盐激光玻璃的氧化物组成中的占比计)敏化离子的氧化物，所述敏化离子选自Yb³⁺、Er³⁺、Pr³⁺、Nd³⁺、Cr³⁺、Ce³⁺和Bi³⁺中的一种或任几种的组合。

进一步地，所述多组分锗酸盐激光玻璃的制备方法包括如下步骤：

将所述氧化物按配比称量好，混合均匀形成混合料后放入氧化铝坩埚中，并置于高温井式炉中进行熔制得到熔融的玻璃液，搅拌均匀，期间采用反应气氛法除水，同时通保护气体。

进一步地，所述熔融的玻璃液经澄清后快速浇注到已经预热好的不锈钢模具中，然后放入退火炉中进行退火。

进一步地，进行所述熔制的温度为1380～1500℃。

进一步地，所述熔制的时间为4～6h。

进一步地，所述不锈钢模具的预热温度为580～680℃；所述熔融的玻璃液在所述退火炉中先于温度为580～680℃条件下保温时间2～4小时，然后进行所述退火：在所述退火炉中以5～7℃/h的速度将所述退火炉的温度降至室温。

进一步地，所述反应气氛法除水的除水剂为CCl₄和/或Cl₂；所述保护气体为Ar或O₂。

本发明的原理及优点如下：

稀土发光离子的掺杂浓度和分散性与基质玻璃的网络结构密切相关，而玻璃中非桥氧和桥氧的比例能反映玻璃的网络结构的自由度，玻璃网络结构的自由度太大(即玻璃网络结构太疏松，稀土发光离子间距离过大，不利于稀土离子间的能量传递)或太小(即玻璃网络结构太致密，稀土发光离子易团簇，易发生浓度淬灭，使得发光效率很低)都不利于荧光发射和光纤的单位增益的提高。因此，通过控制玻璃中非桥氧和桥氧的比例在一定范围内，就可以调整玻璃网络结构的自由度，从而提高基质玻璃中稀土离子的掺杂浓度和分散性，实现高效发光。

具体地，根据拉曼测试结果可知，钡镓锗酸盐玻璃(BaO-Ga₂O₃-GeO₂)的拉曼振动带主要位于中频区域400-600cm^-1和高频区700-1000cm^-1。其中，中频区的拉曼峰分别为T-O-T(T为Ge或Ga)的对称伸缩和弯曲振动叠加引起，对玻璃基质中[GeO₄]四面体和[GaO₄]四面体构成的环的大小(一般为四元环和三元环)比较敏感；高频区的拉曼带主要由[GeO₄]四面体和[GaO₄]四面体中T-O-T或者O-T-O^-(O^-是非桥氧)的不对称伸缩振动叠加而成，通常包括位于800cm^-1附近的2个非桥氧原子的Q²和位于900cm^-1附近的1个非桥氧原子振动Q³。与碱金属相比，三价稀土金属阳离子(如Ln³⁺，一般不作为激活离子)具有更大的场强，且与稀土离子具有相似的物化特性，可以作为玻璃网络修饰体添加到玻璃中来调整玻璃的网络结构，它们与O^2-结合的能力比Ge⁴⁺和Ga³⁺与O^2-结合的能力强。因此，当三价稀土金属氧化物加入到钡镓锗酸盐玻璃中，三价稀土金属阳离子会使得Ge-O和Ga-O断裂，从而与O^2-结合，同时[GeO₄]四面体和[GaO₄]四面体构成的四元环减少，三元环增多，使得玻璃网络结构中非桥氧(NBO)增多，玻璃网络结构的自由度增大，且最大声子能量降低。当玻璃网络结构的自由度在一定范围内增大时，一方面，有利于稀土发光离子在玻璃中的分散，从而减少其团簇，提高稀土发光离子在玻璃中的溶解度，从而获得高的单位增益；另一方面，基质玻璃的最大声子能量降低将有助于减少非辐射跃迁(稀土离子的中红外2μm波段发光对基质玻璃的声子能量很敏感，大的声子能量会导致大的非辐射跃迁，从而大大降低其2μm波段发光强度)，增强2μm波段的荧光发射。但当玻璃网络结构的自由度过大时，会导致稀土发光离子间的距离过大，不利于能量传递，其发光性能会降低，同时玻璃的抗析晶性能和机械加工性能也会大大降低。

此外，根据J-O理论，Ω₂对稀土离子配位环境的对称性及其配位负离子之间的共价性最为敏感，计算得到稀土离子掺杂的多组分锗酸盐激光玻璃的J-O参数Ω₂随着三价稀土金属氧化物的加入而变小，表明稀土发光中心(Tm³⁺和/或Ho³⁺)离子周围环境的对称性提高，分散性变好，有利于增强其2μm波段荧光发射。

基于此，本发明提供了一种提高稀土离子掺杂多组分锗酸盐激光玻璃2μm波段荧光发射的方法，通过三价稀土金属氧化物控制稀土离子掺杂的多组分锗酸盐激光玻璃中的非桥氧和桥氧的比例，实现对玻璃网络结构的自由度的可控性调整，从而提高稀土发光离子在基质玻璃中的掺杂浓度和分散性，获得增强的2μm波段荧光发射。

与现有技术相比，本发明具有以下显著的有益效果：

(1)通过本发明的方法制备的稀土离子掺杂的多组分锗酸盐激光玻璃，相比于未掺入三价金属氧化物的玻璃，在808nm的激光二极管泵浦下可以获得增强的2μm波段荧光发射，且可以实现稀土发光离子(如Tm³⁺和/或Ho³⁺)在多组分锗酸盐玻璃中的高浓度掺杂(如≥6wt％)和良好的分散性，同时该激光玻璃具有良好的抗析晶性能(如ΔT≥130℃)和机械加工性能(可采用机械冷加工来制备光纤预制棒)以及较低的声子能量(如≤900cm^-1)；

(2)本发明制备的稀土离子掺杂的多组分锗酸盐激光玻璃可用于制备2μm波段的单位增益＞5.8dB/cm的有源光纤；

(3)本发明通过对多组分锗酸盐激光玻璃的组分进行设计和调整，从而调控其玻璃网络结构，最终获得增强的2μm波段荧光发射，可为其他波段的高性能的激光玻璃的研制提供思路。

附图说明

图1为实施例1中制备的高掺Tm³⁺多组分锗酸盐激光玻璃在808nm波长的激光泵浦下的荧光光谱。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此，对未特别说明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施例1：

通过三价稀土金属氧化物Y₂O₃和Lu₂O₃控制多组分锗酸盐(BaO-Ga₂O₃-GeO₂)激光玻璃中非桥氧和桥氧的比例，实现对玻璃网络结构的自由度的可控性调整，提高稀土发光离子在基质玻璃中的掺杂浓度和分散性，实现增强的2μm波段荧光发射。同时保证锗酸盐激光玻璃具有良好的抗析晶性能(ΔT＝130℃)和机械加工性能以及较低的声子能量。

具体地，所述稀土离子掺杂的多组分锗酸盐激光玻璃的氧化物组成为：

将各氧化物(纯度≥99.99％)按配比称量好，充分混合均匀后形成混合料后放入氧化铝坩埚中，并置于1420℃高温井式炉中进行熔制4.5h，得到熔融的玻璃液，搅拌均匀，期间采用CCl₄进行反应气氛法除水，同时通O₂作为保护气体。熔融的玻璃液经澄清后快速浇注到已经预热好(600℃预热)的不锈钢模具中，然后放入已升温至略低于所述玻璃的玻璃转变温度的退火炉中，在600℃保温2h后以5.5℃/h的速度降至室温。

把退火后的样品加工成10×10×1.0mm³的玻璃片并两面抛光，在808nm波长的激光泵浦下测试其荧光光谱，与基质玻璃(即未添加Y₂O₃和Lu₂O₃，且熔制工艺和测试条件一致)相比，其2μm波段最强发光强度提高了64％，如附图1所示。同时，对玻璃样品进行了拉曼光谱测试，发现在添加Y₂O₃和Lu₂O₃后，玻璃的最大声子能量从900cm^-1降至864cm^-1，非桥氧增多，玻璃网络结构的自由度提高，有利于提高稀土发光离子的分散性和溶解度。通过XPS测试，可定量分析玻璃样品中非桥氧和桥氧的比例。与基质玻璃相比，其非桥氧和桥氧的比例从0.55提高至0.6。

实施例2：

通过三价稀土金属氧化物Y₂O₃控制多组分锗酸盐(BaO-Ga₂O₃-GeO₂)激光玻璃中非桥氧和桥氧的比例，实现对玻璃网络结构的自由度的可控性调整，提高玻璃中稀土发光离子的掺杂浓度和分散性，实现增强的2μm波段荧光发射。同时保证锗酸盐激光玻璃具有良好的抗析晶性能(ΔT＝162℃)和机械加工性能以及较低的声子能量。

具体地，所述稀土离子掺杂的多组分锗酸盐激光玻璃的氧化物组成为：

将各氧化物(纯度≥99.99％)按配比称量好，充分混合均匀后形成混合料后放入氧化铝坩埚中，并置于1380℃高温井式炉中进行熔制4h，得到熔融的玻璃液，搅拌均匀，期间采用CCl₄进行反应气氛法除水，同时通O₂作为保护气体。熔融的玻璃液经澄清后快速浇注到已经预热好(580℃预热)的不锈钢模具中，然后放入已升温至略低于所述玻璃的玻璃转变温度的退火炉中，在580℃保温3h后以7℃/h的速度降至室温。

把退火后的样品加工成10×10×1.0mm³的玻璃片并两面抛光，在808nm波长的激光泵浦下测试其荧光光谱，与基质玻璃(即未添加Y₂O₃，且熔制工艺和测试条件一致)相比，其2μm波段最强发光强度提高了158％。同时，对玻璃样品进行了拉曼光谱测试，发现在添加Y₂O₃后，玻璃的最大声子能量从950cm^-1降至870cm^-1，非桥氧增多，玻璃网络结构的自由度提高，有利于提高稀土发光离子的分散性和溶解度。通过XPS测试，可定量分析玻璃样品中非桥氧和桥氧的比例。与基质玻璃相比，其非桥氧和桥氧的比例从0.5提高至0.65。

实施例3：

通过三价稀土金属氧化物Lu₂O₃控制多组分锗酸盐(BaO-Ga₂O₃-GeO₂)激光玻璃中非桥氧和桥氧的比例，实现对玻璃的网络结构的自由度的可控性调整，提高稀土发光离子在基质玻璃中的掺杂浓度和分散性，实现增强的2μm波段荧光发射。同时保证锗酸盐激光玻璃具有良好的抗析晶性能(ΔT＝165℃)和机械加工性能以及较低的声子能量。

具体地，所述稀土离子掺杂的多组分锗酸盐激光玻璃的氧化物组成为：

将各氧化物(纯度≥99.99％)按配比称量好，充分混合均匀后形成混合料后放入氧化铝坩埚中，并置于1450℃高温井式炉中进行熔制5h，得到熔融的玻璃液，搅拌均匀，期间采用CCl₄进行反应气氛法除水，同时通Ar作为保护气体。熔融的玻璃液经澄清后快速浇注到已经预热好(620℃预热)的不锈钢模具中，然后放入已升温至略低于所述玻璃的玻璃转变温度的退火炉中，在620℃保温2h后以6℃/h的速度降至室温。

把退火后的样品加工成10×10×1.0mm³的玻璃片并两面抛光，在808nm波长的激光泵浦下测试其荧光光谱，与基质玻璃(即未添加Lu₂O₃，且熔制工艺和测试条件一致)相比，其2μm波段最强发光强度提高了236％。同时，对玻璃样品进行了拉曼光谱测试，发现在添加Lu₂O₃后，玻璃的最大声子能量从913cm^-1降至873cm^-1，非桥氧增多，玻璃网络结构的自由度提高，有利于提高稀土发光离子的分散性和溶解度。通过XPS测试，可定量分析玻璃样品中非桥氧和桥氧的比例。与基质玻璃相比，其非桥氧和桥氧的比例从0.52提高至0.68。

实施例4：

通过三价稀土金属氧化物Sc₂O₃控制多组分锗酸盐(BaO-Ga₂O₃-GeO₂)激光玻璃中非桥氧和桥氧的比例，实现对玻璃网络结构的自由度的可控性调整，提高稀土发光离子在基质玻璃中的掺杂浓度和分散性，实现增强的2μm波段荧光发射。同时保证锗酸盐激光玻璃具有良好的抗析晶性能(ΔT＝190℃)和机械加工性能以及较低的声子能量。

具体地，所述稀土离子掺杂的多组分锗酸盐激光玻璃的氧化物组成为：

将各氧化物(纯度≥99.99％)按配比称量好，充分混合均匀后形成混合料后放入氧化铝坩埚中，并置于1500℃高温井式炉中进行熔制6h，得到熔融的玻璃液，搅拌均匀，期间采用Cl₂进行反应气氛法除水，同时通Ar作为保护气体。熔融的玻璃液经澄清后快速浇注到已经预热好(680℃预热)的不锈钢模具中，然后放入已升温至略低于所述玻璃的玻璃转变温度的退火炉中，在680℃保温4h后以7℃/h的速度降至室温。

把退火后的样品加工成10×10×1.0mm³的玻璃片并两面抛光，在808nm波长的激光泵浦下测试其荧光光谱，与基质玻璃(即未添加Sc₂O₃，且熔制工艺和测试条件一致)相比，其2μm波段最强发光强度提高了275％。同时，对玻璃样品进行了拉曼光谱测试，发现在添加Sc₂O₃后，玻璃的最大声子能量从926cm^-1降至845cm^-1，非桥氧增多，玻璃网络结构的自由度提高，有利于提高稀土发光离子的分散性和掺杂浓度。通过XPS测试，可定量分析玻璃样品中非桥氧和桥氧的比例。与基质玻璃相比，其非桥氧和桥氧的比例从0.54提高至0.72。

实施例5：

通过三价稀土金属氧化物La₂O₃控制多组分锗酸盐(BaO-Ga₂O₃-GeO₂)激光玻璃中非桥氧和桥氧的比例，实现对玻璃网络结构的自由度的可控性调整，提高稀土发光离子在基质玻璃中的掺杂浓度和分散性，实现增强的2μm波段荧光发射。同时保证锗酸盐激光玻璃具有良好的抗析晶性能(ΔT＝150℃)和机械加工性能以及较低的声子能量。

具体地，所述稀土离子掺杂的多组分锗酸盐激光玻璃的氧化物组成为：

将各氧化物(纯度≥99.99％)按配比称量好，充分混合均匀后形成混合料后放入氧化铝坩埚中，并置于1480℃高温井式炉中进行熔制5.5h，得到熔融的玻璃液，搅拌均匀，期间采用Cl₂进行反应气氛法除水，同时通Ar作为保护气体。熔融的玻璃液经澄清后快速浇注到已经预热好(660℃预热)的不锈钢模具中，然后放入已升温至略低于所述玻璃的玻璃转变温度的退火炉中，在660℃保温3h后以6.5℃/h的速度降至室温。

把退火后的样品加工成10×10×1.0mm³的玻璃片并两面抛光，在808nm波长的激光泵浦下测试其荧光光谱，与基质玻璃(即未添加La₂O₃，且熔制工艺和测试条件一致)相比，其2μm波段最强发光强度提高了357％。同时，对玻璃样品进行了拉曼光谱测试，发现在添加La₂O₃后，玻璃的最大声子能量从933cm^-1降至840cm^-1，非桥氧增多，玻璃网络结构的自由度提高，有利于提高稀土发光离子的分散性和溶解度。通过XPS测试，可定量分析玻璃样品中非桥氧和桥氧的比例。与基质玻璃相比，其非桥氧和桥氧的比例从0.50提高至0.75。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。