CN104529178A - 磷酸盐激光玻璃表面增强的处理方法 - Google Patents

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陈辉宇
胡丽丽
陈伟
徐永春
温磊
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薄剑
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Abstract

一种磷酸盐激光玻璃表面增强的处理方法，该表面处理方法是：首先采用混酸对磷酸盐激光玻璃进行浸泡侵蚀，然后采用混碱对磷酸盐激光玻璃进行表面去除，该处理方法不受处理样品的形状限制，通过本发明的处理方式能最大限度去除磷酸盐激光玻璃表面的微裂纹以及杂质粒子，同时降低玻璃细磨后表面的粗糙度，使其具有更高的显微硬度和抗折强度，能大幅度提高磷酸盐激光玻璃棒在氙灯泵浦下的重复频率和热破坏阈值,同时能降低对入射光的散射提高其激光增益。

Description

磷酸盐激光玻璃表面增强的处理方法
技术领域
本发明涉及磷酸盐激光玻璃，特别是一种磷酸盐激光玻璃或者磷酸盐激光玻璃的表面处理方法。
背景技术
磷酸盐激光玻璃的声子能量适中、对稀土离子溶解度高、稀土离子在其中的光谱性能好、非线性系数小，成为使用广泛的激光增益介质。磷酸盐激光玻璃的应用领域涵盖了激光聚变、激光武器、激光测距、激光医疗、光通信波导放大器、超短脉冲激光器应用。
高重复频率、高平均功率激光器对激光玻璃的高强度光泵浦条件下抗热冲击能力要求越来越高。表面缺陷微裂纹以及杂质粒子的影响使磷酸盐激光玻璃在高强度光泵浦条件下的抗热冲击能力降低，这限制了磷酸盐激光玻璃的应用。
研究发现，玻璃表面状态特别是微裂纹的改善可大幅度提高激光玻璃的抗热冲击性能。玻璃的表面缺陷对于细磨磷酸盐激光玻璃即指表面的凹陷层和微裂纹层以及居于其中的杂质粒子，对于抛光磷酸盐激光玻璃主要指抛光层下的亚表面缺陷层和杂质粒子，该层缺陷主要以裂纹为主。玻璃表面的酸、碱处理，是通过钝化微裂纹、腐蚀除掉含有微裂纹或其他缺陷的表面层，消除造成强度降低的缺陷因素，恢复或提高玻璃的强度。由于磷酸盐激光玻璃的特殊化学性能，在酸、碱处理过程中，选择合适的酸、碱具有十分重要的意义。目前广泛采用单一的酸腐蚀的处理方法，无法达到良好的腐蚀效果。
发明内容
本发明提供一种磷酸盐激光玻璃表面增强的处理方法，该处理方法不受处理样品的形状限制，经该方法处理的磷酸盐激光玻璃的表面质量提高，具有更好的抗弯强度和表面显微硬度，提高了在激光器中工作的重复频率和热破坏阈值，降低入射光的损耗、提高了激光增益和效率。
本发明具体的技术解决方案如下：
1、一种磷酸盐激光玻璃表面处理方法，特征在于该方法包括以下步骤：
1)配制混酸和混碱：
所述的混酸由强酸体系、络合剂体系和纯水构成，混酸摩尔百分比组成为：5:1:5～5:1:30，所述的强酸体系由硫酸和/或高氯酸组成：
组成                                               mol％
H2SO4                                 0.00％－100.00％
HClO4                                 0.00％－100.00％
所述的络合剂体系由六偏磷酸钠和/或氟化胺组成：
组成                                               mol％
(NaPO3)6                              0.00％－100.00％
NH4F                                  0.00％－100.00％；
所述的混碱由强碱体系、络合剂体系和纯水构成，混酸摩尔百分比组成为：5:1:1～5:1:5，
所述的强碱体系由氢氧化钾和/或氢氧化钠组成：
组成                                               mol％
KOH                                   0.00％－100.00％
NaOH                                  0.00％－100.00％
所述的络合剂体系由乙二胺四乙酸和/或碳酸钾组成：
组成                                               mol％
EDTA                                  0.00％－100.00％
K2CO3                                 0.00％－100.00％；
2)将细磨后的磷酸盐激光玻璃放入超声波清洗槽内，并加入去离子水至槽体三分之二刻度处，然后在25℃超声清洗30分钟；
3)将所述的超声波清洗槽内的去离子水放掉，加入混酸至槽体三分之二刻度处，然后在20-50℃超声清洗60—200分钟；
4)将所述的超声波清洗槽内的混酸放入废酸槽中，然后用去离子水反复清洗所述的磷酸盐激光玻璃；
5)在所述的超声波清洗槽内加入混碱至槽体三分之二刻度处，然后在20-50℃超声清洗20—50小时；
6)将所述的超声波清洗槽内的混碱放入废碱槽中，然后用去离子水反复清洗干净并干燥所述的磷酸盐激光玻璃。
本发明的技术效果如下：
1、本发明不受处理样品的形状限制，混酸能有效钝化细磨阶段的微裂纹和去除部分杂质粒子，并且降低表面粗糙度及缺陷；混碱能有效去除微裂纹层和剩余杂质粒子，并进一步降低表面粗糙度及缺陷。络合剂的存在能平衡混酸的酸度、混碱的碱度，以控制反应速度并且使反应均匀；从而相对于细磨后的磷酸盐激光玻璃或者磷酸盐激光玻璃来说具有更加良好的表面质量。
2：由于缺陷的去除和粗糙度的降低，表面质量的提高，因而使磷酸盐激光玻璃的机械性能也同时得到提高，具有更好的抗弯强度和表面显微硬度。
3：由于缺陷的去除提高了玻璃的表面质量，所以大幅度提高磷酸盐激光玻璃棒在氙灯泵浦下的重复频率和热破坏阈值；由于表面粗糙度的降低，所以降低对入射光的散射提高其激光增益。
附图说明
图1为本发明处理后的磷酸盐激光玻璃棒和未处理磷酸盐激光钕玻璃棒的激光效率对比示意图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
第一实施例：
强酸体系：
组成                                   mol％
H2SO4(磷酸)                            0.00％
HClO4(高氯酸)                          100.00％
络合剂体系：
组成                                   mol％
(NaPO3)6(六偏磷酸钠)                   0.00％
NH4F(氟化铵)                           100.00％
混酸由强酸体系、络合剂体系以及纯水按摩尔比为：5:1:5构成。
强碱体系：
组成                                   mol％
KOH(氢氧化钾)                          0.00％
NaOH(氢氧化钠)                         100.00％
络合剂体系：
组成                                       mol％
EDTA(乙二胺四乙酸)                         0.00％
K2CO3(碳酸钾)                              100.00％
混酸碱由强碱体系、络合剂体系以及纯水构成，三者摩尔比范围为：5:1:1。
表面处理步骤：
第一步：将细磨后的磷酸盐激光玻璃样品放入超声波清洗槽内，并加入去离子水至槽体三分之二刻度处，在25℃超声清洗30分钟。
第二步：放掉去离子水，加入混酸至槽体三分之二刻度处，在20℃超声清洗200分钟。
第三步：放掉混酸于废酸槽内，然后样品用去离子水反复清洗干净。
第四步：加入混碱至槽体三分之二刻度处，在20℃超声清洗50小时。
第五步：放掉混碱于废碱槽内，然后样品用去离子水反复清洗干净，并干燥。
第二实施例
强酸体系：
组成                                         mol％
H2SO4(硫酸)                                  20.00％
HClO4(高氯酸)                                80.00％
络合剂体系：
组成                                       mol％
(NaPO3)6(六偏磷酸钠)                       30.00％
NH4F(氟化胺)                               70.00％
混酸由强酸体系、络合剂体系以及纯水按摩尔比为：5:1:10构成。
强碱体系：
组成                                          mol％
KOH(氢氧化钾)                                 25.00％
NaOH(氢氧化钠)                                75.00％
络合剂体系：
组成                                          mol％
EDTA(乙二胺四乙酸)                            30.00％
K2CO3(碳酸钾)                                70.00％
混碱由强碱体系、络合剂体系以及纯水构成，三者摩尔比范围为：5:1:2
表面处理步骤：
第一步：将细磨后的磷酸盐激光玻璃样品放入超生清洗槽内，并加入去离子水至槽体三分之二刻度处，在25℃超声清洗30分钟。
第二步：放掉去离子水，加入混酸至槽体三分之二刻度处，然后在30℃超声清洗180分钟。
第三步：放掉混酸于废酸槽内，然后样品用去离子水反复清洗干净。
第四步：加入混碱至槽体三分之二刻度处，在30℃超声清洗45小时。
第五步：放掉混碱于废碱槽内，然后样品用去离子水反复清洗干净，并干燥。
第三实施例：
强酸体系：
组成                                          mol％
H2SO0(硫酸)                                   50.00％
HClO4(高氯酸)                                 50.00％
络合剂体系：
组成                                         mol％
(NaPO3)6(六偏磷酸钠)                         50.00％
NH4F(氟化胺)                                 50.00％
混酸由强酸体系、络合剂体系以及纯水按摩尔比为：5:1:15构成
强碱体系：
组成                                           mol％
KOH(氢氧化钾)                                  50.00％
NaOH(氢氧化钠)                                 50.00％
络合剂体系：
组成                                           mol％
EDTA(乙二胺四乙酸)                             50.00％
K2CO3(碳酸钾)                                  50.00％
混酸由强碱体系、络合剂体系以及纯水构成，三者摩尔比范围为：5:1:3
表面处理步骤：
第一步：将细磨后的磷酸盐激光玻璃样品放入超声波清洗槽内，并加入去离子水至槽体三分之二刻度处，在25℃超声清洗30分钟。
第二步：放掉去离子水，加入混酸至槽体三分之二刻度处，然后在40℃超声清洗160分钟。
第三步：放掉混酸于废酸槽内，然后样品用去离子水反复清洗干净。
第四步：加入混碱至槽体三分之二刻度处，在40℃超声清洗40小时。
第五步：放掉混碱于废碱槽内，然后样品用去离子水反复清洗干净，并干燥。
第四实施例：
强酸体系：
组成                                 mol％
H2SO4(硫酸)                          70.00％
HClO4(高氯酸)                        30.00％
络合剂体系：
组成                               mol％
(NaPO3)6(六偏磷酸钠)               60.00％
NH4F(氟化胺)                       40.00％
混酸由强酸体系、络合剂体系以及纯水按摩尔比为：5:1:20构成
该混碱由强碱体系、络合剂体系和纯水三者构成，其特征摩尔百分比组成为：
强碱体系：
组成                                  mol％
KOH(氢氧化钾)                         70.00％
NaOH(氢氧化钠)                        30.00％
络合剂体系：
组成                                    mol％
EDTA(乙二胺四乙酸)                      60.00％
K2CO3(碳酸钾)                           40.00％
混酸碱由强碱体系、络合剂体系以及纯水构成，三者摩尔比范围为：5:1:4
表面处理步骤：
第一步：将细磨后的磷酸盐激光玻璃样品放入超声波清洗槽内，并加入去离子水至槽体三分之二刻度处，然后在25℃超声清洗30分钟。
第二步：放掉去离子水，加入混酸至槽体三分之二刻度处，在40℃下超声清洗120分钟。
第三步：放掉混酸于废酸槽内，然后样品并用去离子水反复清洗干净。
第四步：加入混碱至槽体三分之二刻度处，在40℃超声清洗35小时。
第五步：放掉混碱于废碱槽内，然后样品用去离子水反复清洗干净，并干燥。
第五实施例：
强酸体系：
组成                                  mol％
H2SO4(硫酸)                           100.00％
HClO4(高氯酸)                         0.00％
络合剂体系：
组成                               mol％
(NaPO3)6(六偏磷酸钠)               100.00％
NH4F(氟化胺)                       0.00％
混酸由强酸体系、络合剂体系以及纯水按摩尔比为：5:1:25构成
该混碱由强碱体系、络合剂体系和纯水三者构成，其特征摩尔百分比组成为：
强碱体系：
组成                                  mol％
KOH(氢氧化钾)                         100.00％
NaOH(氢氧钠)                          0.00％
络合剂体系：
组成                                  mol％
EDTA(乙二胺四乙酸)                    100.00％
K2CO3(碳酸钾)                         0.00％
混酸碱由强碱体系、络合剂体系以及纯水构成，三者摩尔比范围为：5:1:5
表面处理步骤：
第一步：将细磨后的磷酸盐激光玻璃样品放入超声波清洗槽内，并加入去离子水至槽体三分之二刻度处，在25℃下超声清洗30分钟。
第二步：放掉去离子水，加入混酸至槽体三分之二刻度处，然后在50℃下超声清洗80分钟。
第三步：放掉混酸于废酸槽内，然后样品并用去离子水反复清洗干净。
第四步：加入混碱至槽体三分之二刻度处，在50℃超声清洗20小时。
第五步：放掉混碱于废碱槽内，然后样品用去离子水反复清洗干净，并干燥。
实验结果如图1、表1、表2和表3所示，图1为本发明处理和未处理磷酸盐激光钕玻璃棒的激光效率对比示意图，由图可见，本发明处理后的磷酸盐激光玻璃棒的激光效率有30％左右的提高。表1为本发明处理后的磷酸盐激光玻璃和抛光后的磷酸盐激光玻璃的显微硬度数据对比，本发明处理后的磷酸盐激光玻璃显微硬度有显著提高。表2为本发明处理的磷酸盐激光玻璃、抛光处理的磷酸盐激光玻璃和未处理的磷酸盐激光玻璃的抗弯强度数据对比，本发明处理后的磷酸盐激光玻璃抗弯强度有很大的增强。表3为本发明处理后的磷酸盐激光玻璃棒和未处理的磷酸盐激光玻璃棒的增益数据对比，本发明处理后的磷酸盐激光玻璃棒的增益有10％左右的提高。
表1
表2
表3

Claims (1)

1.一种磷酸盐激光玻璃表面增强的处理方法，特征在于该方法包括以下步骤：
1)配制混酸和混碱：
所述的混酸由强酸体系、络合剂体系和纯水构成，混酸摩尔百分比组成为：5:1:5～5:1:30，所述的强酸体系由硫酸和/或高氯酸组成：
组成                                    mol％
H2SO4                                   0.00％－100.00％
HClO4                                   0.00％－100.00％
所述的络合剂体系由六偏磷酸钠和/或氟化胺组成：
组成                                       mol％
(NaPO3)6                                   0.00％－100.00％
NH4F                                       0.00％－100.00％；
所述的混碱由强碱体系、络合剂体系和纯水构成，混酸摩尔百分比组成为：5:1:1～5:1:5，
所述的强碱体系由氢氧化钾和/或氢氧化钠组成：
组成                                     mol％
KOH                                      0.00％－100.00％
NaOH                                     0.00％－100.00％
所述的络合剂体系由乙二胺四乙酸和/或碳酸钾组成：
组成                                          mol％
EDTA                                          0.00％－100.00％
K2CO3                                         0.00％－100.00％。
2)将细磨后的磷酸盐激光玻璃放入超声波清洗槽内，并加入去离子水至槽体三分之二刻度处，然后在25℃超声清洗30分钟；
3)将所述的超声波清洗槽内的去离子水放掉，加入混酸至槽体三分之二刻度处，然后在20-50℃超声清洗60—200分钟；
4)将所述的超声波清洗槽内的混酸放入废酸槽中，然后用去离子水反复清洗所述的磷酸盐激光玻璃；
5)在所述的超声波清洗槽内加入混碱至槽体三分之二刻度处，然后在20-50℃超声清洗20—50小时；
6)将所述的超声波清洗槽内的混碱放入废碱槽中，然后用去离子水反复清洗干净并干燥所述的磷酸盐激光玻璃。
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