CN103848568A - 使用氧化铈调谐基于磷酸盐的玻璃中的稀土离子发射波长 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用氧化铈调谐基于磷酸盐的玻璃中的稀土离子发射波长。具体地，本发明涉及一种Nd掺杂（和/或Yb掺杂和/或Er掺杂）的磷酸盐激光玻璃，其峰值发射波长短于1054nm。在磷酸盐玻璃基质体系中优选地并入氧化铈（CeO2）替换氧化镧，以使所述峰值发射波长位移到短于1054nm的波长。本发明另外涉及一种使用混合玻璃布置和相位补偿的激光器系统，其中所述混合玻璃体系中的一种玻璃是峰值发射波长短于1054nm的Nd掺杂（和/或Yb掺杂和/或Er掺杂）的磷酸盐激光玻璃，并且涉及使用这类激光器系统产生激光束脉冲的方法。

Description

使用氧化铈调谐基于磷酸盐的玻璃中的稀土离子发射波长
技术领域
本发明涉及用于固态激光器应用、特别是短脉冲高峰值功率激光器应用中的玻璃。特别地，本发明涉及用于混合玻璃激光器系统的玻璃，其中磷酸盐激光玻璃与铝酸盐或硅酸盐激光玻璃组合使用。另外，本发明涉及一种Nd掺杂的磷酸盐玻璃，其适用于混合玻璃激光器系统中，其中所述Nd掺杂的磷酸盐玻璃的峰值发射位于较短波长处，也就是1054nm以下的波长。另外，本发明涉及一种在不对发射带宽产生不利影响（即，变窄）的情况下使Nd掺杂的磷酸盐玻璃的峰值发射波长位移到较短波长的方法。
背景技术
固态激光器的一个一般趋势是制造具有较短脉冲长度的高能激光器，这使脉冲中的功率达到非常高的数值。例如，具有10纳秒脉冲长度的10千焦耳激光器的功率是1TW（1TW=10000J/10纳秒）。在“Terrawatt to pettawatt subpicosecond lasers”（太瓦至拍瓦亚皮秒激光器），M.D.Perry和G.Mourou，Science，第264卷，第917-924页(1994)中描述了使用具有较短脉冲长度的高能激光器的趋向。
在高功率短脉冲激光器应用中，例如本发明拍瓦激光器系统和超短脉冲激光器（产生持续时间例如为1皮秒或更短的光脉冲的激光器）以及未来的艾瓦激光器系统，希望固态激光介质具有宽的发射带宽。例如参考Laser Focus World，2008年4月，第19-20页中描述的大力神激光器（Hercules laser），其使用Ti掺杂的蓝宝石晶体。设计利用短脉冲的激光器系统的一个重要因素是找到对于激光跃迁具有宽发射带宽的增益材料。
对于锁模激光器，由傅里叶定理可知的一个公知结果是，脉冲宽度越窄，产生所述脉冲所需的增益带宽越大；因而变换受到限制。对于激光介质的不均匀展宽谱线宽度，如果脉冲的强度遵循高斯函数，那么所得的锁模脉冲将具有发射带宽/脉冲持续时间的关系为带宽×脉冲持续时间≥0.44的高斯形状。参考W.Koechner，Solid State LaserEngineering，第6版，Springer Science,，2005（第540页）。显然，为了实现甚至更短的脉冲持续时间，需要确定具有宽的发射带宽的玻璃。
钛-蓝宝石[Ti:蓝宝石，Ti:Al2O3]晶体具有宽的发射带宽以及覆盖宽发射区的高激光截面。这些性质与蓝宝石晶体卓越的热学性质、物理性质和光学性质结合在一起，使得其成为对于活性固态超短脉冲激光器来说精选的增益材料。然而，短的荧光寿命迫使需要用其它激光器来泵浦Ti:蓝宝石（例如，Ti掺杂的蓝宝石短脉冲激光器常常通过玻璃激光器泵浦，而玻璃激光器又通过闪光灯泵浦）。这增加了激光器的总体结构和复杂性，特别是当试图扩大规模到艾瓦峰值功率时。此外，作为晶体材料，使Ti:蓝宝石材料产生大孔径而具有必备光学品质是一种挑战且价格昂贵。
短脉冲激光器的另一设计利用稀土掺杂的玻璃。这类玻璃相对于晶体的优势包括成本更低和可用能量更高（因为可以制造高光学品质的大尺寸玻璃，而Ti掺杂的蓝宝石在尺寸上受限）。另外，可以实施更简单的设计，因为玻璃增益材料可以通过闪光灯直接泵浦。不同于使用Ti:蓝宝石晶体的激光器，该玻璃方法不需要首先构造泵浦激光器。
通过用具有发射激光能力的稀土元素掺杂基质玻璃体系制得激光玻璃，所述稀土元素例如钕和镱。这些稀土掺杂的激光玻璃的发射激光能力是由光放大产生的，所述光放大通过在玻璃中的激发稀土元素离子的受激发射来实现。
已有记录证明玻璃作为适用于稀土离子的基质，所述稀土离子提供高平均功率激光器系统所必需的大孔径。对于可以大量制造并且在适当加工条件下制造时可不含铂粒子的磷酸盐玻璃来说，尤其如此。
除了磷酸盐玻璃，亚碲酸盐、硅酸盐、硼酸盐、硼硅酸盐和铝酸盐也被用作激光离子的玻璃基质体系。与磷酸盐玻璃相比，硅酸盐、硼酸盐、硼硅酸盐和铝酸盐玻璃对于Nd激光离子具有更宽的发射带宽。
然而，使用这些玻璃伴随有不利的方面。例如，硅酸盐玻璃通常在非常高的温度下熔化，除非其含有大量的改性剂，例如碱金属或碱土金属。另一方面，硼酸盐玻璃具有低温熔化特性，但是其需要相当高浓度的碱金属或碱土金属以在周围环境中保持稳定。硼硅酸盐玻璃在环境温度下可以是耐用的，并且也在与标准市售玻璃例如钠钙玻璃类似的温度下熔化。然而，典型的市售硼硅酸盐玻璃含有大量的碱金属，所述碱金属在熔化中有助于高的硼酸盐挥发性，类似于磷酸盐玻璃。铝酸盐玻璃显示特别宽的发射带宽，并且对于短脉冲激光器操作具有吸引力。但是，这些玻璃具有非常高的结晶倾向，有记录表明扩大规模以进行大规模制造特别难。
遗憾的是，玻璃基质中可实现的发射带宽通常比Ti:蓝宝石晶体中可能的发射带宽小很多倍。对于使用超短脉冲（＜100飞秒脉冲或更短）的高峰值功率激光器来说，由已知磷酸盐激光玻璃提供的发射带宽与所需要的发射带宽相比太窄。为了克服这一局限性，使用所谓的“混合”激光玻璃来满足在操作中且产生现在可用的最高峰值功率的拍瓦激光器系统的总带宽要求。E.Gaul，M.Martinez，J.Blakeney，A.Jochmann，M.Ringuette，D.Hammond，T.Borger，R.Escamilla，S.Douglas，W.Henderson，G.Dyer，A.Erlandson，R.Cross，J.Caird，C.Ebbers和T.Ditmire，“Demonstration of a1.1petawatt laser based on ahybrid optical parametric chirped pulse amplification/mixed Nd:glassamplifier”（基于混合光学参数线性调频脉冲放大/混合Nd:玻璃放大器的1.1拍瓦激光器的证实），Appl.Opt.（应用光学）49，1676-1681(2010)中展示了这种拍瓦激光器的设计。图1中示出了所述激光器设计，而图2示出了通过使用具有位移的峰值波长的玻璃实现的带宽。
在这些混合激光玻璃设计中，串联使用磷酸盐玻璃和硅酸盐玻璃以实现当前拍瓦激光器系统所需的总带宽。例如参考Filip，“Atomicphase shifts in mixed-glass,multipetawatt laser systems”（混合玻璃多拍瓦激光器系统中的原子相移），Optic Express，第19卷,第21期，第20953-20959页，2011年10月10日，描述了一个关于基于Nd掺杂的混合玻璃的15拍瓦激光器的案例研究。这种混合玻璃激光器使用两个放大器，一个是基于磷酸盐玻璃且另一个是基于硅酸盐玻璃。
然而，现有混合激光玻璃设计对于小型拍瓦系统和对于能够产生高能量和短脉冲的未来艾瓦系统仍是不够的。具有足够大孔径的混合玻璃放大器被预期是未来产生非常高峰值功率（100-1000拍瓦）和非常短脉冲（50-100fs）的一种途径。
因此，混合玻璃放大器被预期是未来高峰值功率、短脉冲、多拍瓦和艾瓦激光器系统使用的一种技术。在这些系统中，将串联使用两种玻璃，每种玻璃掺杂有Nd3+激光离子。然而，这两种玻璃应必须提供极其不同的峰值发射波长以有效地使所述技术可行。一种串联的玻璃需要对于Nd3+可能的最短的发射峰，而另一种需要对于Nd3+可能的最长的发射峰。所有其它性质对于最好的激光性能应是优化的。一般说来，对于较短的发射峰使用Nd掺杂的磷酸盐玻璃，且对于较高的发射峰使用Nd掺杂的硅酸盐或铝酸盐玻璃。大多数市售的大孔径不含铂磷酸盐玻璃具有接近1054nm的峰值波长。市售的大孔径不含铂磷酸盐玻璃现在可用的最短峰值波长是1052.7nm，且市售玻璃中最长的峰值波长是1059.7nm。
因此，对于高功率的短脉冲激光器系统，需要峰值发射波长长于1059.7nm并短于1052.7nm的Nd掺杂的激光玻璃。有已知的玻璃展示短于和长于这些峰值的峰值波长。这些玻璃大多数已被证明很难获得高光学品质和制造大孔径。参考S.E Stokowski等人，Nd-doped Laser GlassSpectroscopic and Physical Properties（Nd-掺杂激光玻璃的光谱性质和物理性质），加利福尼亚大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室，1981年。
已知在激光玻璃中使用氧化铈。例如，Myers（US4,770,811）公开了一种基于磷酸盐的激光玻璃组合物，其含有激光掺杂剂，例如Nd2O3，其还含有主要由0.1-5重量%的Ce2O3和0.025-0.1%的Cr2O3组成的辅助掺杂剂。也可以添加氧化铈作为吸热剂（antisolarant）。例如参考Meyers（US5,164,343）和Myers等人（US7,531,473）。关于在激光玻璃中使用铈，也参考Meyers（US4,962,067）和Hayden等人（US6,853,659）。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种Nd掺杂（和/或Yb掺杂和/或Er掺杂）的磷酸盐激光玻璃，其峰值发射波长短于1054nm，优选至少1052nm或更短，尤其至少1051nm或更短。
根据本发明的另一方面，提供了一种使用混合玻璃布置和相位补偿的激光器系统，其中混合玻璃系统中的一种玻璃是Nd掺杂（和/或Yb掺杂和/或Er掺杂）的磷酸盐激光玻璃，其峰值发射波长短于1054nm，优选至少1052nm或更短，尤其至少1051nm或更短。
根据本发明的另一方面，提供了一种激光器系统，其中系统的功率输出为每脉冲至少一拍瓦或更大，且其中所述系统使用混合玻璃布置和相位补偿且所述混合玻璃系统中的一种玻璃是Nd掺杂（和/或Yb掺杂和/或Er掺杂）的磷酸盐激光玻璃，其峰值发射波长短于1054nm，优选至少1052nm或更短，尤其至少1051nm或更短。
根据本发明的另一方面，提供一种将Nd掺杂（和/或Yb掺杂和/或Er掺杂）的磷酸盐激光玻璃的峰值发射波长降低至少2nm、优选至少3nm、尤其至少5nm的方法。例如，所述方法将Nd掺杂的磷酸盐激光玻璃的峰值发射波长从约1054nm的平均波长降低到短于1054nm、优选至少1052nm或更短、尤其至少1051nm或更短且至少1049nm或更短的峰值发射波长。
通过对本说明书和所附权利要求书的进一步研究，本发明的其它方面和优势对于本领域普通技术人员将是显而易见的。
这些方面通过在磷酸盐玻璃基质体系中优选地并入氧化铈（CeO2）替换氧化镧以使峰值发射波长位移到短于1054nm的波长来实现。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种Nd掺杂（或Yb掺杂或Er掺杂）的磷酸盐玻璃组合物，其包含（基于摩尔%）：
其中
MO是MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的总和，
M’2O是Li2O、Na2O、K2O和Cs2O的总和，
MO和M’2O的总和是0.00-30.00摩尔%，
P2O5、B2O3、SiO2和Al2O3的总和至少是46摩尔%，
CeO2的全部或一部分可以用当量的Ce2O3来替换，其中当量的Ce2O3是指与CeO2的量具有相同摩尔数的Ce的量，
La2O3、CeO2、Ce2O3、Nd2O3、Yb2O3和Er2O3的总和不超过35.00摩尔%，
溶解度极限是指Yb2O3在玻璃组合物中的溶解度的极限的浓度，且
所述玻璃含有至少0.25摩尔%的Nd2O3和/或至少0.50摩尔%的Yb2O3和/或至少0.05摩尔%的Er2O3。
根据本发明的另外的实施方式，提供了一种Nd掺杂（或Yb掺杂或Er掺杂或Yb+Er共掺杂或Er+Yb+Nd共掺杂或Yb+Nd共掺杂）的磷酸盐玻璃组合物，其包含（基于摩尔%）：
Figure BDA0000425384740000071
其中
MO和M’2O的总和是0.00-20.00摩尔%，
P2O5、B2O3、SiO2和Al2O3的总和至少是58摩尔%（例如65摩尔%），
CeO2的全部或一部分可以用当量的Ce2O3来替换，其中当量的Ce2O3是指与CeO2的量具有相同摩尔数的Ce的量，
La2O3、CeO2、Ce2O3、Nd2O3、Yb2O3和Er2O3的总和不超过35.00摩尔%，且
Nd2O3、Yb2O3和Er2O3的总和是0.25-5.00摩尔%，且所述玻璃含有至少0.25摩尔%的Nd2O3和/或至少0.50摩尔%的Yb2O3和/或至少0.05摩尔%的Er2O3。
根据本发明的另一方面，提供了一种缩短含有镧的Nd掺杂（或Yb掺杂或Er掺杂）的磷酸盐激光玻璃的峰值发射波长的方法，该方法用CeO2替换最高达100%的La2O3。
根据本发明的另一方面，所述玻璃组合物含有少于0.01mol%的Cr2O3。
根据本发明的另一方面，所述玻璃组合物含有SiO2，例如1.00-15.00摩尔%的SiO2。根据本发明的另一方面，所述玻璃组合物含有B2O3，即>0.00-20.00摩尔%，例如0.5-20.00摩尔%。根据本发明的另一方面，所述玻璃组合物含有SiO2和B2O3。
关于此处所述的范围，所有范围都包括所述范围的至少两个端点，以及至少介于这两个端点之间的所有整数。因此，例如范围1至10应理解为至少明确地公开了值1、2、3、4、5、6、7、8、9和10。
在根据本发明的玻璃组合物中，P2O5充当主要网络形成体的源。因此，根据本发明的另一方面，所述Nd掺杂（和/或Yb掺杂和/或Er掺杂）的磷酸盐玻璃组合物含有45.00-70.00摩尔%的P2O5，例如55.00-70.00摩尔%的P2O5或60.00-70.00摩尔%的P2O5或62.00-66.00摩尔%的P2O5，例如55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69或70摩尔%的P2O5。
在根据本发明的玻璃组合物中，B2O3也充当网络形成体。根据本发明的另一方面，所述Nd掺杂（和/或Yb掺杂和/或Er掺杂）的磷酸盐玻璃组合物含有0.00-20.00摩尔%的B2O3，例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20摩尔%的B2O3。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有5.00-20.00摩尔%的B2O3或5.00-15.00摩尔%的B2O3或5.00-10.00摩尔%的B2O3或8.00-10.00摩尔%的B2O3。
SiO2也可以在本发明玻璃组合物中充当网络形成体。根据本发明的另一方面，所述Nd掺杂（和/或Yb掺杂和/或Er掺杂）的磷酸盐玻璃组合物含有0.00-15.00摩尔%的SiO2，例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15摩尔%的SiO2。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有1.00-10.00摩尔%的SiO2或3.00-10.0摩尔%的SiO2或3.00-6.00摩尔%的SiO2。
Al2O3也可以在本发明的玻璃组合物中充当网络形成体。根据本发明的另一方面，所述Nd掺杂（或Yb掺杂或Er掺杂）的磷酸盐玻璃组合物含有2.00-15.0摩尔%的Al2O3，例如3、4、5、6、7、8、9或10摩尔%的Al2O3。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有0.25-14.00摩尔%的Al2O3或2.00-10.00摩尔%的Al2O3或2.00-8.00摩尔%的Al2O3或4.00-8.00摩尔%的Al2O3。
Nd、Yb和/或Er离子在根据本发明的玻璃中充当激光离子。根据另一方面，根据本发明的Nd掺杂的磷酸盐玻璃组合物含有0.25-5.00摩尔%的Nd2O3，例如0.3、0.4、0.5、0.6、0.75、0.8、0.9、1、1.25、1.5、1.75、2、2.5、3、3.5、4、4.5或5摩尔%的Nd2O3。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有0.25-4.00摩尔%的Nd2O3或0.25-3.00摩尔%的Nd2O3或0.25-2.00摩尔%的Nd2O3。
根据另一方面，根据本发明的Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物含有0.50-30.00摩尔%的Yb2O3，例如0.5、0.6、0.7、0.75、0.8、0.9、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、10.0、12.0、15.0、18.0、20.0、23.0、25.0、28.0或30.0摩尔%的Yb2O3。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有0.50-25.00摩尔%的Yb2O3或0.50-15.00摩尔%的Yb2O3或0.50-10.00摩尔%的Yb2O3或0.50-5.00摩尔%的Yb2O3。
根据另一方面，根据本发明的Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物含有0.05-10.00摩尔%的Er2O3，例如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.75、0.8、0.9、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5或5.0摩尔%的Er2O3。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有0.05-4.00摩尔%的Er2O3或0.05-3.00摩尔%的Er2O3或0.05-2.00摩尔%的Er2O3。
根据另一方面，根据本发明的掺杂的磷酸盐玻璃组合物含有总量为0.50-5.00摩尔%的掺杂剂Nd2O3、Yb2O3和Er2O3中的两种或更多种，例如0.5、0.6、0.75、0.8、0.9、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5或5.0摩尔%的掺杂剂Nd2O3、Yb2O3和Er2O3中的两种或更多种。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有1.00-4.00摩尔%或1.00-3.00摩尔%或1.00-2.00摩尔%的掺杂剂Nd2O3、Yb2O3和Er2O3中的两种或更多种。
根据另一方面，根据本发明的Nd掺杂的磷酸盐玻璃组合物含有0.25-30.00摩尔%的CeO2，例如0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、12.0、15.0、16.0、17.0、18.0、19.0、21.0、23.0、25.0、28.0或30.0摩尔%的CeO2。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有4.50-25.00摩尔%的CeO2或10.00-25.00摩尔%的CeO2或15.00-25.00摩尔%的CeO2或20.00-25.00摩尔%的CeO2。
根据另一方面，根据本发明的Nd掺杂的磷酸盐玻璃组合物含有最高达15.00摩尔%的Ce2O3，例如0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5或5.0摩尔%的Ce2O3。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有5.00-12.50摩尔%的Ce2O3或7.50-12.50摩尔%的Ce2O3或10.00-12.50摩尔%的Ce2O3。
根据另一方面，根据本发明的Nd掺杂的磷酸盐玻璃组合物含有0.00-29.75摩尔%的La2O3，例如0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、12.0、15.0、16.0、17.0、18.0、19.0、21.0、23.0、25.0、28.0或29.0摩尔%的La2O3。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有0.00-15.0摩尔%的La2O3、0.00-10.0摩尔%的La2O3、0.00-8.0摩尔%的La2O3、0.00-5.0摩尔%的La2O3、0.00-3.0摩尔%的La2O3、0.00-2.50摩尔%的La2O3或0.00-2.00摩尔%的La2O3或0.00-1.00摩尔%的La2O3。
如上所述，根据本发明的玻璃组合物可包含碱金属M’2O（Li2O、Na2O、K2O和Cs2O的总和），其量为0.00-20.00摩尔%，例如0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0、13.0、14.0、15.0、16.0、17.0、18.0、19.0或20.0摩尔%。例如，根据本发明的玻璃组合物可含有0.0-10.0摩尔%、0.0-8.0摩尔%、0.0-5.0摩尔%或0.0-3.0摩尔%的碱金属M’2O。碱金属可以添加到玻璃组合物中以进一步对所述玻璃体系的激光和机械性质进行改性。例如参考J.S.Hayden等人，“Effect of composition on the thermal,mechanical and optical propertiesof phosphate laser glasses”（组合物对磷酸盐激光玻璃的热学性质、机械性质和光学性质的影响），SPIE第1277卷(1990)，127-139。
同样，如上所述，根据本发明的玻璃组合物可包含碱土金属MO（MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的总和），其量为0.00-10.00摩尔%，例如0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0或10.0摩尔%。例如，根据本发明的玻璃组合物可含有0.0-9.0摩尔%、0.0-7.0摩尔%、0.0-5.0摩尔%或0.0-4.0摩尔%或0.0-3.0摩尔%的碱土金属MO。碱土金属可以添加到玻璃组合物中以进一步对所述玻璃体系的激光和机械性质进行改性。例如参考J.S.Hayden等人，“Effect of composition on thethermal,mechanical and optical properties of phosphate laser glasses”（组合物对磷酸盐激光玻璃的热学性质、机械性质和光学性质的影响），SPIE第1277卷(1990)，127-139。
根据本发明的玻璃组合物可包含碱金属和碱土金属，即MO和M’2O的总和是0.00-30.00摩尔%，例如0.0-25.0摩尔%、0.0-22.0摩尔%、0.0-20.0摩尔%或0.0-15.0摩尔%或0-10.0摩尔%。
关于其它的组分，所述玻璃可含有最多4重量％、特别是最多2重量％的常规添加剂或杂质，例如精炼剂（例如，As2O3和Sb2O3）和吸热剂（例如，Nb2O5）。另外，所述玻璃组合物可含有卤化物以有助于熔体或残留水的干燥以及有助于玻璃的精炼。例如，所述玻璃组合物可含有最高达9重量％、优选不高于5重量％的F，和最高达5重量％的Cl，虽然Cl不如F优选。
根据本发明的另一方面，根据本发明的掺杂的磷酸盐玻璃组合物的有效发射带宽（Δλ有效）至少为20nm、优选至少25nm、尤其至少为29nm、特别至少为32nm，例如25-35nm或29-33nm。
可以根据Judd-Ofelt理论、Fuchtbauer-Ladenburg理论或McCumber方法测量激光性质。可以在E.Desurvire，Erbium Doped FiberAmplifiers（铒掺杂的纤维放大器），John Wiley and Sons(1994)中找到Judd-Ofelt理论和Fuchtbauer-Ladenburg理论的讨论。McCumber方法如在例如Miniscalco和Quimby，Optics Letters16(4)，第258-266页(1991)中所讨论的。也可以参考Kassab，Journal of Non-CrystalIine Solids（非晶体固体期刊）348(2004)，103-107。Judd-Ofelt理论和Fuchtbauer-Ladenburg理论从发射曲线评估激光性质，而McCumber方法使用玻璃的吸收曲线。
对于发射带宽，如果具有测得的发射曲线（例如在Judd-Ofelt或Fuchtbauer-Ladenburg分析中收集）或计算的发射曲线（来自McCumber分析），则可以用两种方法得到发射带宽。第一种方法是简单测量在最大值一半处的宽度（被称为发射带宽半高全宽或ΔλFWHM）。
第二种方法是用发射曲线上的每个点除以所述曲线下的总面积。被称为线宽函数的结果将具有被定义为有效带宽Δλ有效的倒数的峰值。通过这种方法，整个发射曲线始终对发射带宽结果有贡献。此处使用的这个值在分析中用作发射带宽的最佳指标。
附图说明
下文基于在附图中图解描绘的示例性实施方式更详细地解释本发明和本发明的更多细节，例如本发明的特征和伴随的优势，且其中：
图1以图表方式示例了在含有Ce的Nd掺杂的磷酸盐玻璃体系中的Nd发射中所观察到的位移。
具体实施方式
实施例
表1列出了含有La2O3的Nd掺杂的基于磷酸盐的玻璃（LaNd）和含有CeO2的根据本发明的Nd掺杂的磷酸盐玻璃。表2列出了两种组合物的激光性质。
所有玻璃均使用激光级成分制造且在干燥氧气环境下使用铂搅拌器在搅拌作用下熔化以实现较好的均匀性。所有玻璃都浇铸入模具中，并且将其适当地退火以便除去液体冷却到非晶态时的应力。将所得玻璃板坯成形为以提供各种玻璃性质的工具使用所需的形式。
表1.实施例
Figure BDA0000425384740000141
表2.实施例组合物的激光性质
Figure BDA0000425384740000142
表3.实施例组合物的机械性质
由表中的数据可以看出，用实施例1中的CeO2替换实施例A中的La2O3导致磷酸盐玻璃中峰值发射波长的缩短超过2nm。将实施例B与实施例2和3进行比较，用CeO2替换La2O3导致磷酸盐玻璃中峰值发射波长的缩短超过1.5nm。此外，将实施例A与实施例1进行比较，添加CeO2使峰值发射截面增加。在实施例2和3中，添加CeO2使荧光寿命延长。
此处引用的所有申请、专利和公开物的全部公开内容通过引用并入本文。
可以通过用本发明概述或详述的反应物和/或操作条件替换前述实施例中使用的反应物和/或操作条件，从而同样成功地重复前述实施例。
从上述描述中，本领域普通技术人员能够容易地确定本发明的基本特征，且在不背离本发明的主旨和范围的情况下，能够进行本发明的各种改变和改进以使其适应各种用途和条件。

Claims (25)

1.一种Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其包含（基于摩尔%）：
Figure FDA0000425384730000011
其中
MO是MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的总和，
M’2O是Li2O、Na2O、K2O和Cs2O的总和，
MO和M’2O的总和是0.00-30.00摩尔%，
P2O5、B2O3、SiO2和Al2O3的总和至少是46摩尔%，
CeO2的全部或一部分可以用当量的Ce2O3来替换，其中当量的Ce2O3是指与CeO2的量具有相同摩尔数的Ce的量，
La2O3、CeO2、Ce2O3、Nd2O3、Yb2O3和Er2O3的总和不超过35.00摩尔%，
溶解度极限是指Yb2O3在所述玻璃组合物中的溶解度的极限的浓度，且
所述玻璃含有至少0.25摩尔%的Nd2O3和/或至少0.50摩尔%的Yb2O3和/或至少0.05摩尔%的Er2O3。
2.根据权利要求1所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有少于0.01摩尔%的Cr2O3。
3.根据权利要求1或2所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有1.00-15.00摩尔%的SiO2。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有>0.00-20.00摩尔%的B2O3。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有0.5-20.00摩尔%的B2O3。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有SiO2和B2O3。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有55.00-70.00摩尔%的P2O5。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有5.00-15.00摩尔%的B2O3。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有1.00-10.00摩尔%的SiO2。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有1.00-4.00摩尔%的Nd2O3。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有0.50-30.00摩尔%的Yb2O3。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有0.50-4.00摩尔%的Er2O3。
13.根据权利要求1至9中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有总量为0.50-5.00摩尔%的Nd2O3、Yb2O3和Er2O3中的两种或更多种。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有10.00-25.00摩尔%的CeO2。
15.根据权利要求14所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有15.00-25.00摩尔%的CeO2。
16.根据权利要求14所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有20.00-25.00摩尔%的CeO2。
17.根据权利要求1至13中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有5.00-12.50摩尔%的Ce2O3。
18.根据权利要求1至13中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有最高达12.50摩尔%的Ce2O3。
19.根据权利要求1至18中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有0.00-15.0摩尔%的La2O3。
20.根据权利要求1至19中的任一项所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃的有效发射带宽（Δλ有效）至少为20nm。
21.根据权利要求1所述的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含（基于摩尔%）：
Figure FDA0000425384730000041
其中
MO和M’2O的总和是0.00-20.00摩尔%，
P2O5、B2O3、SiO2和Al2O3的总和至少是65摩尔%，
CeO2的全部或一部分可以用当量的Ce2O3来替换，其中当量的Ce2O3是指与CeO2的量具有相同摩尔数的Ce的量，
La2O3、CeO2、Ce2O3、Nd2O3、Yb2O3和Er2O3的总和不超过35.00摩尔%，且
Nd2O3、Yb2O3和Er2O3的总和是0.25-5.00摩尔%，且所述玻璃含有至少0.25摩尔%的Nd2O3和/或至少0.50摩尔%的Yb2O3和/或至少0.05摩尔%的Er2O3。
22.一种缩短含有镧的Nd掺杂或Yb掺杂或Er掺杂的磷酸盐激光玻璃的峰值发射波长的方法，所述方法包括用CeO2替换最高达100%的La2O3。
23.一种固态混合玻璃激光器系统，其包含Nd掺杂的磷酸盐玻璃和另一Nd掺杂的玻璃作为固体增益介质和泵浦源，改进之处在于其中所述Nd掺杂的磷酸盐玻璃是根据权利要求1至21中的任一项所述的Nd掺杂的磷酸盐玻璃。
24.根据权利要求23所述的激光器系统，其中系统的功率输出是每脉冲至少一拍瓦或更大。
25.一种用于产生激光束脉冲的方法，所述方法包括闪光灯泵浦或二极管泵浦根据权利要求23所述的激光器系统的固体增益介质。
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