CN101376564A - 超宽带红外发光透明玻璃陶瓷及其制备 - Google Patents

超宽带红外发光透明玻璃陶瓷及其制备 Download PDF

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Abstract

超宽带红外发光透明玻璃陶瓷及其制备，涉及发光材料领域。该玻璃陶瓷组分为(摩尔比)：44SiO2－28Al2O3－xYF3－yNaF－zTmF3－0.1ErF3(x＝13～18，z＝0～0.8，y＝(28－x－z))。采用熔体急冷法制备。该材料具有超宽带红外发射特性。

Description

超宽带红外发光透明玻璃陶瓷及其制备
技术领域
本发明涉及固体发光材料领域，尤其是涉及一种具有红外宽带发光特性的铥/铒共掺杂的透明玻璃陶瓷及其制备工艺。
背景技术
随着光通讯技术对信息传输容量的要求越来越高，研发新型红外宽带发射光纤放大器受到光电材料领域的广泛重视。传统的商业化铒掺杂光纤放大器发射波段在1480～1580nm范围，带宽在40nm左右。为了充分利用硅基玻璃的低损耗波段1400～1700nm，可通过在硅基玻璃中共掺铥/铒离子来获得宽带发射，其带宽在90nm左右[H.Jeong，K.Oh，S.R.Han，and T.F.Morse，Opt.Lett.28，161(2003)]。但是，由于硅基玻璃的声子能量较高，使得稀土离子的发射效率较低，限制了材料的应用。氟氧化物玻璃陶瓷是玻璃相发生部分晶化而得，是玻璃相和晶相的复合体；通过控制晶化使晶粒尺度在30nm以下且均匀分布于硅基玻璃体中，可得到透明的玻璃陶瓷。这类材料是一种兼有氟化物声子能量低和氧化物机械强度与热稳定性高优点的新型发光材料，在光通讯领域具有重大的应用前景。本发明在新型的含氟化钇纳米晶玻璃陶瓷中共掺杂铥离子与铒离子，通过控制热处理条件使稀土离子大量进入氟化钇纳米晶中，实现材料的红外宽带发射，发射带宽可达到175nm。
发明内容
本发明提出一种铥/铒共掺杂的含氟化钇纳米晶透明玻璃陶瓷的组分及其制备工艺，目的在于制备出结构稳定、具有红外宽带发射的固体发光材料。
本发明的透明玻璃陶瓷组分为(摩尔比)：44SiO2-28Al2O3-xYF3-yNaF-zTmF3-0.1ErF3(x＝13～18，z＝0～0.8，y＝(28-x-z))。
本发明采用如下制备工艺：将粉体原料按照一定组分配比研磨均匀后置于坩埚中，于电阻炉中加热到1300-1500℃后保温0～5小时，然后，将玻璃熔液快速倒入300℃预热的铜模中成形；将获得的前驱玻璃放入电阻炉中退火以消除内应力；退火后的玻璃继续在550～750℃加热保温1～10小时使之发生部分晶化，得到淡红色的透明玻璃陶瓷。
采用以上前驱玻璃组分和制备工艺，成功获得铥/铒共掺的氟化钇纳米晶均匀分布于氧化物玻璃基体中的透明玻璃陶瓷。在792纳米激光激发条件下，玻璃陶瓷的室温荧光发射谱在1300-1700纳米波段出现分别对应于Tm3+:3H4→3F4，Er3+:4I13/2→4I15/2，和Tm3+:3F4→3H6跃迁的发射(如图1所示)。显然，铥和铒的发射能很好地连接成宽的发射带，通过改变铥/铒掺杂比例，发射带的宽度可以调控，最大带宽达到175纳米，覆盖了波分复用光通讯的S、C、L和U窗口。
本发明的玻璃陶瓷制备工艺简单、成本低廉，可望开发成为一种新型的红外宽带发射光纤放大器材料。
附图说明
附图为792纳米激光激发下铥/铒共掺杂玻璃陶瓷的室温近红外宽带发射谱。
具体实施方式
实例1：将分析纯的SiO2、Al2O3、NaF、YF3和纯度为99.99％的ErF3粉体，按0.1ErF3：44SiO2：28Al2O3：10.9NaF：17YF3(摩尔比)的配比精确称量后置于玛瑙研钵中，研磨半小时以上使其均匀混合，而后置于铂金坩埚中，于程控高温箱式电阻炉中加热到1400℃后保温0.5小时，然后，将玻璃熔液快速倒入300℃预热的铜模中成形；将获得的前驱玻璃放入电阻炉中，在500℃退火2小时后随炉冷却以消除内应力；将退火后的玻璃在670℃保温2小时后，得到淡红色的、掺杂0.1％铒离子的透明玻璃陶瓷。透射电镜(TEM)研究表明，该玻璃陶瓷中有大量尺寸为20-30nm的YF3晶粒均匀分布于氧化物玻璃基体中，电子能谱仪(EDS)分析表明稀土离子偏聚于纳米晶中。样品经过表面抛光，用FLS920荧光光谱仪测量得到铒的室温发射谱，经计算其发射带宽达到60纳米。
实例2：将分析纯的SiO2、Al2O3、NaF、YF3和纯度为99.99％的ErF3和TmF3粉体，按0.1ErF3:0.1TmF3:44SiO2：28Al2O3：10.8NaF：17YF3(摩尔比)的配比精确称量，经过与实例1相同的制备和热处理过程后，得到淡红色的、掺杂0.1％铒和0.1％铥离子的透明玻璃陶瓷。样品经过表面抛光，用FLS920荧光光谱仪测量得到铥、铒的室温发射谱，经计算其发射带宽达到87纳米。
实例3：将分析纯的SiO2、Al2O3、NaF、YF3和纯度为99.99％的ErF3和TmF3粉体，按0.1ErF3:0.2TmF3:44SiO2：28Al2O3：10.7NaF：17YF3(摩尔比)的配比精确称量，经过与实例1相同的制备和热处理过程后，得到淡红色的、掺杂0.1％铒和0.2％铥离子的透明玻璃陶瓷。样品经过表面抛光，用FLS920荧光光谱仪测量得到铥、铒的室温发射谱，经计算其发射带宽达到112纳米。
实例4：将分析纯的SiO2、Al2O3、NaF、YF3和纯度为99.99％的ErF3和TmF3粉体，按0.1ErF3:0.4TmF3:44SiO2：28Al2O3：10.5NaF：17YF3(摩尔比)的配比精确称量，经过与实例1相同的制备和热处理过程后，得到淡红色的、掺杂0.1％铒和0.4％铥离子的透明玻璃陶瓷。样品经过表面抛光，用FLS920荧光光谱仪测量得到铥、铒的室温发射谱，经计算其发射带宽达到135纳米。
实例5：将分析纯的SiO2、Al2O3、NaF、YF3和纯度为99.99％的ErF3和TmF3粉体，按0.1ErF3:0.8TmF3:44SiO2：28Al2O3：10.1NaF：17YF3(摩尔比)的配比精确称量，经过与实例1相同的制备和热处理过程后，得到淡红色的、掺杂0.1％铒和0.8％铥离子的透明玻璃陶瓷。样品经过表面抛光，用FLS920荧光光谱仪测量得到铥、铒的室温发射谱，经计算其发射带宽达到175纳米。

Claims (4)

1.超宽带红外发光透明玻璃陶瓷，其特征在于：其化学组分为(摩尔比)44SiO2-28Al2O3-xYF3-yNaF-zTmF3-0.1ErF3(x＝13～18，z＝0～0.8，y＝(28-x-z))。
2.一种权利要求1的玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于：采用熔体急冷法制备。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：采用SiO2、Al2O3、YF3、NaF、ErF3和TmF3粉体作为原料，混合均匀后加热到1300-1500℃并保温0-5小时，而后，将融熔液制得玻璃体；该玻璃体经退火消除内应力后，继续加热至550-750℃并保温1-10小时。
4.一种权利要求1的玻璃陶瓷的用途，其特征在于：具有超宽带红外发射特性。
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