CN102276147B - 一种掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃及其制备方法，通过按下列摩尔百分比备料，并混合均匀：SiO2：34.9~64.9%；P2O5：8~20%；Al2O3：15~35%；RO和/或RCO3：15~45%；Bi2O3：0.1~5%；将混合料升温至1300~1600oC，保温30~180分钟，使原料熔融成液态；在500~650oC下退火0.5~6小时后，自然冷却至室温，即得掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃。该玻璃除了具有能够覆盖整个通讯波段的超宽带的光学性能，其熔融温度相对于石英玻璃明显降低，玻璃熔制过程中熔融液体粘度降低，因而熔融成型过程中玻璃中的缺陷和瑕疵（如气泡等）相对于石英玻璃较少，玻璃的机械性能提高，铋在玻璃中的红外发光强度较强。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学玻璃，特别是涉及一种掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃及其制备方法。
背景技术
1998年3月4日，三菱电线工业株式会社的藤本靖等人申请了题为 “掺秘石英玻璃、光纤及光放大器制造方法”的专利(特许公开平11-29334 )。他们利用铋交换的沸石作为分散介质，综合sol-gel方法和高温熔融法，空气下制备了掺五价秘离子Bi5+的石英玻璃、拉制出相应的光纤、实现了800nm泵浦下的1.3μm处的光放大。这种玻璃的荧光峰值位于1130nm附近，最大的荧光半高宽为250nm，最大的荧光寿命为650μs，受激发射截面大约为1.0 × 10-20cm2. 2001年2月22日，藤本靖等人又申请了题为“光纤及光放大器”(特许公开2002-252397 )，其基本的玻璃组成为: A12O3-SiO2- Bi2O3，于1750oC空气下熔制，拉制出相应的光纤、实现了0.8μm泵浦下的1.3μm处的光放大。
2001年12月13日，2002年6月18日，2002年12月25日，日本板硝子株式会社的岸本正一等连续申请了题为“红色玻璃及其透明微晶玻璃”、“光放大玻璃光纤”、“红外发光材料及光放大介质”的专利(特许公开2003-183047, 2004-20994, 2003-283028)，其基本的玻璃组成为A12O3-SiO2。相应产品呈现红或棕红色；红色玻璃经晶化处理后其颜色未有明显改变，但其耐热性及机械强度等性质明显增强；用位于400～850nm区域的泵浦波长泵浦，能够得到最强峰位于1000～1600nm区间的荧光，并且能够实现波长在1000～1400nm间的光放大。
2001年，Fujimoto与Nakatsuka在Jpn. J. App. Phys., 40, (2001) L279一文报道了在1760oC高温下于空气下制备五价铋离子Bi5+掺杂的A12O3-SiO2玻璃，大量的气泡存在使得其在红外区的透过率降低至~30%左右，这在很大程度上限制了这种SiO2基玻璃的实际应用。浙江大学的邱建荣等连续申请了一系列题为“镱铋共掺的磷酸盐基光学玻璃及其制备方法”、“纳米铋团簇掺杂二氧化硅基光学玻璃及其制备方法”、“用于可调谐激光器和宽带放大器的铋离子掺杂晶体”、“掺铋锗基光学玻璃掺铋高硅氧近红外宽带发光玻璃的制备方法”、“铋镍共掺的透明硅酸盐微晶玻璃及其制备方法”（专利 200710044174.8，200510024483.X，200510023597.2，200410054216.2， 200410054217.7，200710047760.8）关于铋掺杂玻璃作为光放大材料的专利。
在上述专利中他们利用镍等过渡金属离子或者镱稀土离子共掺的方式提高铋的红外发光强度，而通过采用锗酸盐以及磷酸盐体系来改善玻璃的熔制温度，通过微晶化提高玻璃的机械强度。然而，原有铋掺杂玻璃的红外发光强度与作为光纤放大器的稀土离子相比，相对较弱，不利于作为光放大器材料使用；而对玻璃进行微晶化虽然可以提高玻璃的强度，但是玻璃基质中形成的微晶容易造成光线在玻璃中的反射和折射，导致光传输效率降低，光放大效果减弱。
发明内容
为克服上述石英玻璃的熔融温度较高，铋的红外发光强度较低，容易出现浓度淬灭，需要掺杂其他离子敏化铋的发光，以及需要微晶化提高玻璃机械强度的缺点，本发明的目的是提供一种掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃及其制备方法。
一种掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃，由下列摩尔百分比的组分组成：
SiO2 34.9~64.9 %
P2O5 8~20 %
Al2O3 15~35%
RO 15~45%
Bi2O3 0.1~5%。
本发明的另一目的在于提供一种掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃的制备方法，经过下列各工艺步骤：
（1）按下列摩尔百分比备料，并混合均匀：
SiO2 34.9~64.9 %
含磷化合物 8~40 %
Al2O3 15~35%
RO和/或RCO3 15~45%
Bi2O3 0.1~5%；
（2）将步骤（1）中的混合料升温至1300~1600oC，保温30~180分钟，使原料熔融成液态；
（3）将步骤（2）中的熔体快速倾倒并压平，在500~650oC下退火0.5~6小时后，自然冷却至室温，即得掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃。
所述含磷化合物为P2O5、NH4H2PO4、(NH4)2HPO4、AlPO4中的一种或者几种。
所述RO为MgO，CaO，SrO，BaO，PbO中的一种或者几种。
所述RCO3为MgCO3，CaCO3，SrCO3，BaCO3，PbCO3中的一种或者几种。
本发明具有如下优点：该玻璃能够发近红外波段荧光，具有较强的发光强度，长的荧光寿命，宽的增益带宽，适合作为增益介质应用于光学放大器和/或激光器。该玻璃熔融温度相对于石英玻璃明显降低，因而熔融体的粘度降低、消除气泡的影响就会更容易实现，同时玻璃具有较好的机械强度；另外本发明提供的硅酸盐玻璃中Al2O3的组分含量较高，同时含有P2O5成分，上述两种组分的同时存在玻璃中利于形成[AlO4]与[PO4]相连的对角四面体结构。上述组分结构有助于铋离子在硅酸盐玻璃基质中的红外发光强度增强，无需掺杂其他离子进行敏化，而且不易出现浓度淬灭现象，可以实现高浓度掺杂。上述掺铋的硅磷酸基玻璃在800 nm左右波长的激光激发下具有能够覆盖整个通讯波段的超宽带的光学性能，在700 nm左右波长激光激发下能够产生覆盖800~1400nm波段，中心峰位于1100 nm的超宽带近红外荧光，有望在超宽带光学放大器、高功率激光器，可调谐激光器等技术领域得到应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
（1）按下列摩尔百分比备料，并混合均匀：
SiO2 34.9 %
P2O5 8 %
Al2O3 15%
MgO 10%
CaCO3 22%
Bi2O3 0.1%；
（2）将步骤（1）中的混合料升温至1300oC，保温60分钟，使原料熔融成液态；
（3）将步骤（2）中的熔体快速倾倒并压平，在650oC下退火3小时后，自然冷却至室温，即得掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃, 由下列摩尔百分比的组分组成：SiO2：34.9 %；P2O5：8%；Al2O3：15%；MgO：10%；CaO：22%；Bi2O3：0.1%。
实施例2
（1）按下列摩尔百分比备料，并混合均匀：
SiO2 49 %
NH4H2PO4 40 %
Al2O3 30%
BaCO3 15%
SrCO3 15%
PbO 15%
Bi2O3 1%；
（2）将步骤（1）中的混合料升温至1500oC，保温30分钟，使原料熔融成液态；
（3）将步骤（2）中的熔体快速倾倒并压平，在570oC下退火0.5小时后，自然冷却至室温，即得掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃，由下列摩尔百分比的组分组成：SiO2：49%；P2O5：20%；Al2O3：30%；BaO：15%；SrO：15%；PbO：15%；Bi2O3：1%。
实施例3
（1）按下列摩尔百分比备料，并混合均匀：
SiO2 64.9 %
(NH4)2HPO4和AlPO4 15 %
Al2O3 35%
PbCO3 15%
Bi2O3 5%；
（2）将步骤（1）中的混合料升温至1600oC，保温180分钟，使原料熔融成液态；
（3）将步骤（2）中的熔体快速倾倒并压平，在500oC下退火6小时后，自然冷却至室温，即得掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃，由下列摩尔百分比的组分组成：SiO2：64.9%；P2O5：7.5%；Al2O3：35%；PbO：15%；Bi2O3：5%。
实施例4
（1）按下列摩尔百分比备料，并混合均匀：
SiO2 50 %
P2O5和NH4H2PO4 12 %
Al2O3 20%
CaO 20%
Bi2O3 3%；
（2）将步骤（1）中的混合料升温至1400oC，保温120分钟，使原料熔融成液态；
（3）将步骤（2）中的熔体快速倾倒并压平，在550oC下退火2小时后，自然冷却至室温，即得掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃，由下列摩尔百分比的组分组成：SiO2：50%；P2O5：8%；Al2O3：20%；CaO：20%；Bi2O3：3%。
实施例5
（1）按下列摩尔百分比备料，并混合均匀：
SiO2 50 %
P2O5 12 %
Al2O3 20%
SrO 10%
BaO 15%
MgCO3 10%
Bi2O3 4%；
（2）将步骤（1）中的混合料升温至1500oC，保温160分钟，使原料熔融成液态；
（3）将步骤（2）中的熔体快速倾倒并压平，在600oC下退火5小时后，自然冷却至室温，即得掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃，由下列摩尔百分比的组分组成：SiO2：50%；P2O5：12%；Al2O3：20%；SrO：10%； BaO：15%； MgO：10%；Bi2O3：4%。
Claims (3)
1.一种掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃，其特征在于由下列摩尔百分比的组分组成：
SiO2 34.9~64.9 %
P2O5 8~20 %
Al2O3 15~35%
RO 15~45%
Bi2O3 0.1~5%，
其中，RO为MgO，CaO，SrO，BaO，PbO中的一种或者几种。
2.一种如权利要求1所述光学玻璃的制备方法，其特征在于通过下列各工艺步骤：
（1）按下列摩尔百分比备料，并混合均匀：
SiO2 34.9~64.9 %
含磷化合物 8~40 %
Al2O3 15~35%
RO和/或RCO3 15~45%
Bi2O3 0.1~5%；
其中，RO为MgO，CaO，SrO，BaO，PbO中的一种或者几种；RCO3为MgCO3，CaCO3，SrCO3，BaCO3，PbCO3中的一种或者几种；
（2）将步骤（1）中的混合料升温至1300~1600oC，保温30 ~180分钟，使原料熔融成液态；
（3）将步骤（2）中的熔体快速倾倒并压平，在500~650oC下退火0.5~6小时后，自然冷却至室温，即得掺铋的硅磷酸盐基光学玻璃。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述含磷化合物为P2O5、NH4H2PO4、(NH4)2HPO4、AlPO4中的一种或者几种。
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