CN109300514B - 一种采用玻璃材料基因方法预测激光玻璃性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用玻璃材料基因方法预测激光玻璃性能的方法,将目标激光玻璃所对应相图中邻近激光玻璃组分的一致熔融玻璃态化合物作为激光玻璃“基因”,依据一致熔融玻璃态化合物的激光性能预测目标组分激光玻璃的激光性能,包括如下步骤:(1)利用相图数据库,获得所研究激光玻璃对应的相图;(2)选取激光玻璃配方,用邻近一致熔融玻璃态化合物的含量表示玻璃组成;(3)查找或者推算邻近的一致熔融玻璃态化合物的性质,如物理性质、激光性质;(4)用一致熔融玻璃态化合物的含量和性质通过加和法则,来预测目标激光玻璃的性质。本发明是一种低成本、快速研发新型激光玻璃和光纤的新方法,对高性能激光器的开发具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于玻璃材料研究领域,具体涉及一种采用玻璃材料基因方法预测激光玻璃性能的方法。
背景技术
玻璃材料已成为现代生活中必不可少的一部分,且对社会文明的发展起着重要的推动作用。玻璃态被认为是介于熔融液态和晶体间的热动力学亚稳态,长期以来,玻璃态物质的本质一直是凝聚态物理中最具挑战力的问题。Science在创刊125周年之际将“玻璃态物质的本质是什么”这一科学问题列为125个最具挑战性的科学问题之一。玻璃无处不在,尽管使用了上千年,依然是一种神秘的材料,其组成-结构-性能间的关系也一直阻碍着玻璃的最优化使用。而且,目前玻璃材料的研发主要靠实验试错法,其存在研发周期长,研发成本高等问题。
2011年,美国提出“材料基因组计划”。随后,我国也积极进行相应的布局。材料基因方法是材料研发中的一次重大飞跃,是新材料研发的“推进器”。材料基因方法采用高通量并行迭代方法替代传统试错法中的顺序迭代方法,逐步由“经验指导实验”向“理论预测和实验验证相结合”的材料研发模式转变,以实现“研发周期缩短一半、研发成本降低一半”的目标,加速新材料的“发现-开发-生产-应用”过程。材料基因方法的研究理念内容丰富,包含了模型化研究、高通量实验表征技术、计算机模拟、数据挖掘、机器学习、人工智能等。材料基因方法的提出为材料的研发提供了全新的研究理念,是对材料传统实验试错法的一次革新。但目前,材料基因方法主要用于组分和结构相对简单的半导体材料和金属材料领域中,由于玻璃材料结构的无序性和多样性,材料基因方法在玻璃材料中的应用还未有相关的报道。本发明提出采用材料基因方法研究理念研究玻璃材料,将玻璃对应相图中的一致熔融玻璃态化合物看作是“玻璃的基因”,用一致熔融玻璃态化合物的激光性能预测不同体系激光玻璃的激光性能,此方法对新型激光玻璃和特种光纤的研发具有重要的意义。
激光玻璃是重要的激光增益材料,是构建固体激光器和光纤激光器的核心部件。目前,新型激光玻璃的研发主要靠“实验试错法”,该方法成本高、周期长、效率低。近来随着激光技术的快速发展,传统的激光材料研究方式难以满足需求,已成为制约开发高性能激光器的瓶颈。针对新型激光材料快速研制问题,本发明创新性的提出了一种预测激光玻璃性能的“基因方法”,即将目标激光玻璃所对应相图中邻近激光玻璃组分的两个或两个以上一致熔融玻璃态化合物作为激光玻璃“基因”,依据一致熔融玻璃态化合物的激光性能预测目标组分激光玻璃的激光性能。
发明内容
针对目前对玻璃组分繁多、玻璃结构认识不足、研发周期长、效率低等缺点,本发明提供一种采用玻璃材料基因方法预测激光玻璃性能的方法。将玻璃中对应相图中的一致熔融玻璃态化合物作为玻璃的基因,用一致熔融玻璃态化合物的结构和性能可定量预测玻璃的结构和性能。这是一种激光玻璃新的研发方式,将材料基因方法研究理念应用于玻璃材料的研发。
本发明具体通过以下技术方案实现。
一种采用玻璃材料基因方法预测激光玻璃性能的方法,将目标玻璃基质组分对应相图中的一致熔融玻璃态化合物作为玻璃基因,依据作为玻璃基因的一致熔融玻璃态化合物的激光性能,预测目标激光玻璃的激光性能。
进一步地,所述的一种采用玻璃材料基因方法预测激光玻璃性能的方法,包括如下步骤,(1)利用相图数据库获得所研究激光玻璃对应的相图;(2)由相图获得目标激光玻璃组分对应的一致熔融玻璃态化合物,用一致熔融玻璃态化合物的激光性能通过加和法则预测目标激光玻璃的激光性能,其中二元系统玻璃加和法则的公式为P(B)=P(A)×LA+P(C)×LC,三元系统玻璃加和法则的公式为P(B)=P(A)×LA+P(C)×LC+P(D)×LD,上述公式中P(A)、P(C)和P(D)为一致熔融玻璃态化合物的激光性能,P(B)为目标激光玻璃的激光性能,LA、LC和LD为一致熔融玻璃态化合物的含量。
进一步地,所述的一种采用玻璃材料基因方法预测激光玻璃性能的方法,激光性能包括有效线宽、荧光半高宽、辐射寿命、峰值受激发射截面、吸收截面和非线性折射率系数。
进一步地,所述的一种采用玻璃材料基因方法预测激光玻璃性能的方法,若相图中一致熔融玻璃态化合物的激光性能未知,则通过以下步骤获得一致熔融玻璃态化合物的激光性能:(1)利用相图数据库获得所研究激光玻璃对应的相图;(2)选取已知激光性能的玻璃组分,并在相图中用邻近此玻璃组分的一致熔融玻璃态化合物采用线性加和法表示出已知激光玻璃的组成;(3)以已知激光性能的玻璃组分为已知条件,通过加和法可推算出目标玻璃组分的一致熔融玻璃态化合物的性质,如物理性质和激光性质。
将所得的预测值和实验值进行比较,分析数据。
进一步地,所述的一种采用玻璃材料基因方法预测激光玻璃性能的方法,激光玻璃为稀土离子掺杂的无机玻璃。
进一步地,所述的稀土离子掺杂的无机玻璃包括稀土离子掺杂氧化物玻璃、氟化物玻璃、硫系玻璃,所述的稀土离子包括Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+和Ho3+等。
进一步地,将对应相图中一致熔融玻璃态化合物作为玻璃基因,用一致熔融玻璃态化合物性质定量预测目标玻璃的性质。
由所述的一种采用玻璃材料基因方法预测激光玻璃性能的方法,可应用于预测激光玻璃的有效线宽、荧光半高宽、辐射寿命、峰值受激发射截面、吸收截面和非线性折射率系数。
所述的材料基因方法是一种材料研发的新理念,其核心是创新性的将一致熔融玻璃态化合物作为玻璃基因,用其预测目标玻璃的性能。
与现有技术相比,本发明具有如下优点和效果:
(1)本发明将材料基因的研究理念应用于玻璃研究,创新性的将一致熔融玻璃态化合物作为玻璃基因,能更深入的认识玻璃结构,破解玻璃结构基因,对玻璃的研发有重要意义。
(2)本发明中用一致熔融玻璃态化合物预测玻璃的结构和性能,相比于以往通过所有氧化物加和方法,一致熔融玻璃态化合物更接近玻璃母体的真实结构,能更准确的预测激光玻璃的结构和性能。
附图说明
图1为实施例1中简化的B2O3-Li2O二元系统玻璃相应的相图;
图2为实施例1中简化的B2O3-Li2O-MgO三元系统玻璃相应的相图;
图3为实施例2中简化的GeO2-BaO-La2O3三元系统玻璃相应的相图。
具体实施方式
以下将提供实施例对本发明做进一步说明,但本发明要求保护的范围不仅局限于此。
实施例1:
需预测激光性能的目标玻璃为:Nd3+掺杂硼酸盐玻璃,xLi2O-(99-x)B2O3-1Nd2O3(10≤x≤50mol%)及其xLi2O-(99-x-y)B2O3-yMgO-1Nd2O3(10≤x≤50mol%,5≤y≤15mol%)。
利用玻璃基因方法定量预测Nd3+掺杂xLi2O-(99-x)B2O3-1Nd2O3的激光性质,在这里的激光性能包括玻璃中Nd3+离子4F3/2→4I11/2跃迁的有效线宽、荧光半峰宽、荧光寿命、峰值发射截面、Nd3+离子4F3/2能级辐射寿命和808nm处的吸收截面。以上述玻璃对应相图中一致熔融玻璃态化合物作为目标玻璃材料基因,即可用相图中一致熔融玻璃态化合物组分对应的玻璃激光性能获得目标玻璃的激光性能。由于相图中一致熔融玻璃态化合物的激光性能未知,需通过已知激光性能的激光玻璃配方列方程推算得出,得出一致熔融玻璃态化合物激光性能后即可预测目标玻璃的激光性能。
具体步骤如下:
(1)利用相图数据库,获得B2O3-Li2O二元系统相图,如图1所示。
(2)获得已知激光性能的激光玻璃配方,如表1所示,表1为xLi2O-(99-x)B2O3-1Nd2O3的玻璃配方及其性能表,用一致熔融玻璃态化合物表示出玻璃组成,如表2所示,表2为xLi2O-(99-x)B2O3-1Nd2O3玻璃一致熔融玻璃态化合物的含量表,表2中的Li2O·2B2O3和Li2O·B2O3是一致熔融玻璃态化合物的化学式,即所谓的玻璃基因,用于后面的预测计算。
表1
表2
(3)根据加和法则,用以上三组已知的玻璃激光性能列方程组推算一致熔融玻璃态化合物的激光性能。其中,根据公式P(B)=P(A)×LA+P(C)×LC推算一致熔融玻璃态化合物有效线宽的方法如下,将表2数据67.5%、85.71%分别代入LLi2O.2B2O3,将表2数据31.5%、13.29%分别代入LB2O3,将其对应的有效线宽数据40.64、40.34代入P得到①、②等式,通过求解①②方程即可得到一致熔融玻璃态化合物Li2O·2B2O3、B2O3的有效线宽。将表2数据57%带入LLi2O.2B2O3,将表2数据42%带入LLi2O.B2O3,将其对应的线宽39.51带入P得到③等式,通过求解方程即可得到一致熔融玻璃态化合物Li2O·B2O3的线宽。
0.675PLi2O.2B2O3+0.315PB2O3=40.64①
0.8571PLi2O.2B2O3+0.1329PB2O3=40.34②
0.57PLi2O.2B2O3+0.42PLi2O.B2O3=39.51③
通过求解以上方程组,即可推算出一致熔融玻璃态化合物的有效线宽。同理,用不同的激光性能列出对应方程组,可推算出一致熔融玻璃态化合物对应的其他的激光性能。xLi2O-(99-x)B2O3-1Nd2O3玻璃一致熔融玻璃态化合物对应的激光性能结果如表3所示:
表3
(4)用以上推算得出的一致熔融玻璃态化合物的激光性质,通过加和法则公式即可预测其他任意目标玻璃的激光性质。本实例预测结果与实验值的对比,如表4和表5所示。表4为xLi2O-(99-x)B2O3-1Nd2O3玻璃有效线宽、荧光半高宽、寿命预测值与实验值的对比表,Li2O·2B2O3和Li2O·B2O3是一致熔融玻璃态化合物的化学式,即所谓的玻璃基因。表5为xLi2O-(99-x)B2O3-1Nd2O3玻璃辐射寿命、吸收截面、受激发射截面预测值与实验值的对比表,Li2O·2B2O3和Li2O·B2O3是一致熔融玻璃态化合物的化学式,即所谓的玻璃基因。其中,表4中的实验值是经过实验测试和公式换算得到的。将熔融冷却制备得到的玻璃样品打磨抛光加工为20mm×10mm×1.5mm的尺寸用于光谱测试,用Perkin-ElmerLambda900UV/VIS/NIR型分光光度仪测量吸收光谱,在808抽运下采用TRIAX320型荧光光谱仪(J-Y公司,法国)测试荧光光谱。玻璃的密度由排水法测试。折射率由Metricon 2010型棱镜耦合仪测得。稀土离子的寿命由示波器探测荧光强度信号随时间的变化获得,荧光寿命为荧光强度衰减到最高强度的e-1时所经历的时间。所有的测试均在室温下进行。在测试的基础上,有效线宽的计算公式为:
公式中,Δλeff为有效线宽,Imax为发射光谱中光强最大值,I(λ)dλ为光强和波长的乘积。荧光半高宽可直接由发射光谱得到。辐射寿命由JO理论计算得到。在吸收光谱的基础上,利用比尔-朗伯方程计算808nm处的吸收截面,计算公式为:
其中,lg(I0/I)为光波长为一定时的吸收率(也称光密度),N为玻璃中稀土离子浓度,l为玻璃的厚度。峰值发射截面的计算公式为
其中,λp是峰值波长,c是真空中的光速(3×108),n是玻璃折射率,Δλeff是有效线宽,A是辐射跃迁的概率,A由JO理论计算得出。表4出现的激光性能的实验值均按如上所述方法获得,其他表格中的激光性能实验值也是由所述方法获得。
表4
表5
按以上方法即可成功预测余下未知的xLi2O-(99-x)B2O3-1Nd2O3玻璃的激光性能。
在以上基础上,我们还可将二元组分玻璃的预测拓展到三元组分玻璃,如xLi2O-(99-x-y)B2O3-yMgO-1Nd2O3玻璃激光性能的预测。其步骤如下:
(1)利用相图数据库,获得B2O3-Li2O-MgO三元系统相图,如图2所示。
(2)用一致熔融化合物表示出需预测性能的激光玻璃,如表6所示,表6为需预测激光性能的激光玻璃。
表6
(3)由上述B2O3-Li2O二元玻璃系统分析中我们已知了一致熔融玻璃态化合物:Li2O·2B2O3、B2O3的激光性能,此处我们还需推算3MgO·B2O3的激光性能。此时我们需要找出一组已知激光性能的Li2O-B2O3-MgO-1Nd2O3玻璃,如表7所示,表7为一组已知激光性能的激光玻璃。
表7
(4)根据三元玻璃的计算公式P(B)=P(A)×LA+P(C)×LC+P(D)×LD,将表7中数据带入方程中,即可计算出3MgO·B2O3的激光性能,经计算3MgO·B2O3的有效线宽、半高宽、发射截面、辐射寿命和808nm吸收截面分别为55.91nm、50.89nm、1.24(10-20cm2)、213.45us和11.28(10-21cm2)。
(5)根据以上计算出的一致熔融玻璃态化合物的激光性能,即可预测出目标玻璃的激光性能,其预测值如表8和表9所示,表8为xLi2O-(99-x-y)B2O3-yMgO-1Nd2O3玻璃有效线宽、荧光半高宽、辐射寿命预测值与实验值的对比,表9为xLi2O-(99-x-y)B2O3-yMgO-1Nd2O3玻璃808nm处吸收截面、发射截面预测值与实验值的对比。
表8
表9
按以上方法即可用一致熔融化合物的激光性能从二元玻璃出发预测三元玻璃的激光性能,此方法可推广到更复杂玻璃的激光性能预测中。
实施例2:
需预测激光性能的玻璃组分:Tm3+掺杂锗酸盐玻璃,(100-x-y)GeO2-xBaO-yLa2O3(5≤x≤50mol%,0≤y≤15mol%)。
实施方案和实施例1中的基本相同,只是这里将玻璃组分换为锗酸盐玻璃,稀土离子为Tm3+,预测Tm3+掺杂(100-x-y)GeO2-xBaO-yLa2O3(5≤x≤50mol%,0≤y≤15mol%)玻璃的激光性能,这里包括Tm3+:3F4→3H6跃迁的有效线宽、荧光半高宽、荧光寿命、受激发射截面。具体步骤如下。
(1)寻找GeO2-BaO-La2O3玻璃相应的相图,发现并没有完整相图数据,此时我们可以查找对应的二元相图,将二元相图中的一致熔融玻璃态化合物作为顶点划分三角区,划分的原则为面积最小原则,划分后的相图如图3所示。
(2)找出Tm3+掺杂的(100-x-y)GeO2-xBaO-yLa2O3玻璃组分,并用邻近的三个一致熔融玻璃态化合物表示出玻璃的组成。
(3)由二元玻璃推算出一致熔融玻璃态化合物对应的激光性能。
(4)用以上推算出的一致熔融玻璃态化合物的激光性能即可预测三元组分玻璃((100-x-y)GeO2-xBaO-yLa2O3)的激光性能。
实施例3:
需预测激光性能的玻璃组分:Yb3+掺杂的磷酸盐玻璃(100-x-y)P2O5-xAl2O3-yLa2O3(0≤x≤20mol%,0≤y≤15mol%)。
实施方案和实施例1中的基本相同,只是这里将玻璃组分换为磷酸盐玻璃,稀土离子为Yb3+,预测Yb3+掺杂(100-x-y)P2O5-xAl2O3-yLa2O3(0≤x≤20mol%,0≤y≤15mol%)玻璃的激光性能,这里包括Yb3+:2F5/2→2F7/2跃迁的有效线宽、荧光半高宽、荧光寿命、受激发射截面。具体步骤如下:
(1)划分P2O5-Al2O3-La2O3玻璃相应的相图。
(2)找出Yb3+掺杂的(100-x-y)P2O5-xAl2O3-yLa2O3玻璃配方,并用邻近的三个一致熔融玻璃态化合物表示出玻璃的组成。
(3)用二元组分玻璃分别推算出一致熔融玻璃态化合物对应的激光性能。
(4)用以上推算出的一致熔融玻璃态化合物的激光性能即可预测三元组分玻璃((100-x-y)P2O5-xAl2O3-yLa2O3)的激光性能。
实施例4:
需预测激光性能的玻璃组分:Er3+掺杂碲酸盐玻璃(100-x-y)TeO2-xNa2O-yMgO(5≤x≤30mol%,0≤y≤15mol%)。
实施方案和实施例1中的基本相同,只是这里将玻璃组分换为碲酸盐玻璃,稀土离子为Er3+,预测计算Er3+掺杂(100-x-y)TeO2-xNa2O-yMgO(5≤x≤30mol%,0≤y≤15mol%)玻璃的激光性能,这里包括Er3+:4I13/2→4I15/2跃迁的有效线宽、荧光半高宽、荧光寿命、受激发射截面。具体步骤如下:
(1)划分TeO2-Na2O-MgO玻璃相应的相图。
(2)找出Er3+掺杂的(100-x-y)TeO2-xNa2O-yMgO玻璃配方,并用邻近的三个一致熔融玻璃态化合物表示出玻璃的组成。
(3)用二元组分玻璃推算出一致熔融玻璃态化合物对应的激光性能。
(4)用以上推算出的一致熔融玻璃态化合物的激光性能即可预测三元组分玻璃((100-x-y)TeO2-xNa2O-yMgO)的激光性能。
实施例5:
需预测激光性能的玻璃组分:Ho3+掺杂锗酸盐玻璃(100-x-y)GeO2-xBaO-yLa2O3(5≤x≤50mol%,0≤y≤15mol%)。
实施方案和实施例2中的基本相同,只是这里将稀土离子换为Ho3+,预测Ho3+掺杂(100-x-y)GeO2-xBaO-yLa2O3(5≤x≤50mol%,0≤y≤15mol%)玻璃的激光性能,这里包括Ho3+:5I7→5I8跃迁的有效线宽、荧光半高宽、荧光寿命、受激发射截面。
实施例6:
需预测激光性能的玻璃组分:Er3+掺杂磷酸盐玻璃(100-x-y)P2O5-xAl2O3-yLa2O3(0≤x≤20mol%,0≤y≤15mol%)。
实施方案和实施例3中的基本相同,只是这里将稀土离子换为Er3+,预测Er3+掺杂(100-x-y)P2O5-xAl2O3-yLa2O3(0≤x≤20mol%,0≤y≤15mol%)玻璃的激光性能,这里包括Er3+:4I13/2→4I15/2跃迁的有效线宽、荧光半高宽、荧光寿命、受激发射截面。
实施例7:
需预测激光性能的玻璃组分:Tm3+掺杂碲酸盐玻璃(100-x-y)TeO2-xNa2O-yMgO(5≤x≤30mol%,0≤y≤15mol%)。
实施方案和实施例4中的基本相同,只是这里将稀土离子换为Tm3+,预测Tm3+掺杂(100-x-y)TeO2-xNa2O-yMgO(5≤x≤30mol%,0≤y≤15mol%)玻璃的激光性能,这里包括Tm3+:3F4→3H6跃迁的有效线宽、荧光半高宽、荧光寿命、受激发射截面。
如实施例1中将二元组分玻璃的预测拓展到三元组分玻璃的推广过程所示,不管玻璃组分变得多么复杂,其一致熔融玻璃态化合物的激光性质是不变的,即玻璃基因不变。因此,该预测方法还可推广至四元甚至更多组分玻璃体系性质的预测。
以上实施例证明,采用材料基因方法的研究方式,将玻璃对应相图中的一致熔融玻璃态化合物作为玻璃的基因,用一致熔融玻璃态化合物的激光性能可准确(预测误差在10%以内)预测激光玻璃的激光性能。
以上实施例仅为本发明其中的实施方式,仅用于解释本发明,而非限制本发明,本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种采用玻璃材料基因方法预测激光玻璃性能的方法,其特征在于,将目标玻璃基质组分对应相图中的一致熔融玻璃态化合物作为玻璃基因,依据作为玻璃基因的一致熔融玻璃态化合物的激光性能,预测目标激光玻璃的激光性能,包括如下步骤:(1)利用相图数据库获得所研究激光玻璃对应的相图;(2)由相图获得与目标激光玻璃组分对应的一致熔融玻璃态化合物,用一致熔融玻璃态化合物的激光性能通过加和法则预测目标激光玻璃的激光性能;对于二元系统玻璃,加和法则的公式为P(B)=P(A)×LA+P(C)×LC,上述公式中P(A)、P(C)为一致熔融玻璃态化合物的激光性能,P(B)为目标激光玻璃的激光性能,LA、LC为一致熔融玻璃态化合物的含量。
2.根据权利要求1 所述的方法,其特征在于,对于三元系统玻璃,加和法则的公式为P(B)=P(A)×LA+P(C)×LC+P(D)×LD,上述公式中P(A)、P(C)、P(D)为一致熔融玻璃态化合物的激光性能,P(B)为目标激光玻璃的激光性能,LA、LC、LD为一致熔融璃态化合物的含量。
3.根 据权利要求1所述的方法,其特征在于激光性能包括有效线宽、荧光半高宽、辐射寿命、峰值受激发射截面、吸收截面和非线性折射率系数。
4.根据 权利要求1所述的方法,其特征在于,若相图中一致熔融玻璃态化合物的激光性能未知,则通过以下步骤获得一致熔融玻璃态化合物的激光性能:(1)利用相图数据库获得所研究激光玻璃对应的相图;(2)选取已知激光性能的玻璃组分,并在相图中用邻近此玻璃组分的一致熔融玻璃态化合物采用线性加和法表示出已知激光玻璃的组成;(3)以已知激光性能的玻璃组分为已知条件,通过加和法可得出目标玻璃组分的一致熔融玻璃态化合物的激光性能。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,激光玻璃为稀土离子掺杂的无机玻璃。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述稀土离子掺杂的无机玻璃包括稀土离子掺杂氧化物玻璃、氟化物玻璃、硫系玻璃,所述的稀土离子包括Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+和Ho3+。
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