CN112052556B - 一种宽带激光玻璃的配方设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽带激光玻璃的配方设计方法，通过获取目标激光玻璃的玻璃基质的玻璃体系的结构基因，构建玻璃体系组成图，以所述结构基因为端点或顶点划分多个成分区，以成分区中的玻璃的多个结构基因的有效线宽之和作为成分区的选取参数，选取参数最大的所述成分区作为所述玻璃基质的选取区，来获取具有更宽的发光光谱的激光玻璃，实现玻璃的宽带发光，解决了以往靠实验试错法研发宽带激光玻璃存在的实验周期长、成本高、效率低等问题，是一种高效的宽带激光玻璃材料研发模式，有利于宽带光纤的快速研发设计。

Description

一种宽带激光玻璃的配方设计方法
技术领域
本发明涉及激光玻璃技术领域，特别是涉及一种宽带激光玻璃的配方设计方法。
背景技术
玻璃是一种传统材料，广泛应用于建筑门窗、日用器皿、照明显示等领域。在上世纪70年代光通信技术的发展引领下，玻璃材料在光纤通信、军事装备、光纤传感、精密测量等新兴领域应用快速扩展，也对玻璃材料性能提出了许多新需求，迫切需要开发多种高性能玻璃。
宽带复合玻璃光纤在宽带光纤放大器和波长可调光纤激光器领域非常重要，是研究的热点，宽带复合玻璃光纤要求具有宽带发光光谱。激光玻璃由激光离子和玻璃基质组成。在玻璃基质中，激光离子与配位离子之间存在着离子键和共价键共同作用，因此玻璃基质影响激光离子的光谱性能。玻璃基质是对应体系组成图中邻近的相对稳定玻璃态化合物的混合熔体，邻近的相对稳定玻璃态化合物与目标玻璃含有类似的结构单元。
宽带激光玻璃是指在一定光泵浦下，稀土离子荧光带宽较宽的玻璃。由于玻璃结构的复杂性，目前获取具有更宽的发光光谱的激光玻璃的方法主要靠经验和试错，存在研发周期长、成本高和效率低的问题。
发明内容
基于此，有必要提供一种宽带激光玻璃的配方设计方法，以解决目前获取具有更宽的发光光谱的激光玻璃的方法存在研发周期长、成本高和效率低的问题。
一种宽带激光玻璃的配方设计方法，包括以下步骤：
根据目标激光玻璃的玻璃基质的组成成分，获取所述玻璃基质的玻璃体系的结构基因；
根据所述结构基因构建玻璃体系组成图；
在所述玻璃体系组成图中以所述可能的结构基因为端点或顶点划分多个成分区；
获取所述结构基因的有效线宽，并计算作为所述成分区的端点或顶点的多个结构基因的有效线宽之和，作为所述成分区的选取参数；
比较不同所述成分区的所述选取参数，以所述选取参数最大的所述成分区作为所述玻璃基质的选取区。
在其中一个实施例中，所述获取所述玻璃基质的结构基因是获取所述玻璃基质的各组成成分以及不同组成成分组合能够共同形成的同成分熔融化合物。
在其中一个实施例中，获取所述同成分熔融化合物是通过查找资料或者依据第一性原理计算获得。
在其中一个实施例中，所述构建玻璃体系组成图是在以各组成成分为端点的摩尔比例成分图中标注所述的结构基因的坐标。
在其中一个实施例中，所述获取所述结构基因的有效线宽是通过查找资料或者进行实验获得。
在其中一个实施例中，选取所述玻璃体系组成图中处于玻璃形成区的所述成分区进行所述选取参数的计算和比较。
在其中一个实施例中，所述玻璃基质为三元玻璃体系，所述获取所述玻璃基质的结构基因包括：
将所述玻璃基质的三个组成成分中的任意两个进行组合，得到三个二元组成体系，确定各个所述二元组成体系中的同成分熔融化合物；
将玻璃基质的三个组成成分进行组合，得到三元组成体系，确定所述三元组成体系的同成分熔融化合物。
在其中一个实施例中，所述构建玻璃体系组成图是以三个组成成分为顶点绘制摩尔比例成分图，在所述摩尔比例成分图中标注出所有所述二元组成体系中的同成分熔融化合物和所述三元组成体系中的同成分熔融化合物的坐标。
在其中一个实施例中，所述划分成分区是以各组成成分以及各同成分熔融化合物的顶点划分出多个三角形的成分区。
在其中一个实施例中，所述划分成分区依据最邻近原则或面积最小原则进行。
一种激光玻璃的制备方法，包括以下步骤：
按上述任一实施例所述的激光玻璃的配方设计方法，在所述选取区选取目标激光玻璃的玻璃基质，称取所述玻璃基质的原料，在所述玻璃基质中掺杂发光离子。
与现有方案相比，上述宽带激光玻璃的配方设计方法具有以下有益效果：
上述宽带激光玻璃的配方设计方法，通过获取目标激光玻璃的玻璃基质的玻璃体系的结构基因，构建玻璃体系组成图，以所述结构基因为端点或顶点划分多个成分区，以成分区中的玻璃的多个结构基因的有效线宽之和作为成分区的选取参数，选取参数最大的所述成分区作为所述玻璃基质的选取区，来获取具有更宽的发光光谱的激光玻璃，实现玻璃的宽带发光，解决了以往靠实验试错法研发宽带激光玻璃存在的实验周期长、成本高、效率低等问题，是一种高效的宽带激光玻璃材料研发模式，有利于宽带光纤的快速研发设计。
附图说明
图1为在B2O3-Li2O-MgO三元玻璃体系组成图中划分多个成分区的示意图；
图2为808nm泵浦下Nd3+掺杂硼酸盐玻璃配方设计前和设计后4F3/2→4I11/2能级跃迁1060nm发光光谱图；
图3为BaO-Ga2O3-GeO2三元玻璃体系组成图中划分多个成分区的示意图；
图4为808nm泵浦下Tm3+掺杂锗酸盐玻璃配方设计前和设计后3F4→3H6能级跃迁1810nm发光光谱图；
图5为BaO-Al2O3-P2O5三元玻璃体系组成图中划分多个成分区的示意图；
图6为808nm泵浦下Nd3+掺杂磷酸盐玻璃配方设计前和设计后4F3/2→4I11/2能级跃迁1060nm发光光谱图；
图7为980nm光泵浦下Bi掺杂的锗酸盐玻璃和锗硅酸盐玻璃近红外发光光谱对比。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
激光玻璃中影响稀土离子发光的主要因素有稀土离子的局域场(包括配位结构、局域对称性和场强)、玻璃基质的声子能量、稀土离子的分散度、稀土离子的浓度和玻璃基质中羟基的含量等。这其中包括实验因素和玻璃基质本质的结构因素。对于玻璃基质本质的结构因素，稀土离子的发光主要受稀土离子的局域场影响(包括配位结构、局域对称性和场强)，即稀土离子周围的微观结构。应用玻璃基因观点，可通过邻近的同成分熔融玻璃态化合物定量研究目标玻璃的结构基团，进而可实现结构基团的调控设计。通过调控玻璃基因实现发光离子与周围配位场相互作用的调节，进而加强非均匀展宽效应，最后实现玻璃的宽带发光。
本发明提供一种宽带激光玻璃的配方设计方法，包括以下步骤：
S01，根据目标激光玻璃的玻璃基质的组成成分，获取玻璃基质的玻璃体系的结构基因。
对于组成成分相同而比例不同的玻璃，其结构基因可能不同。对于一个具体的玻璃体系，获取玻璃基质的结构基因是获取玻璃基质的各组成成分以及不同组成成分组合能够共同形成的同成分熔融化合物。
依据具体玻璃体系，首先可在相图数据库或者材料手册收集该体系相关化合物的热力学数据，也可通过第一性原理，计算得出该体系包含的同成分熔融化合物。第一性原理是根据原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法。
若目标激光玻璃的玻璃基质选取三元玻璃体系，获取玻璃基质的结构基因包括：
将玻璃基质的三个组成成分中的任意两个进行组合，得到三个二元组成体系，确定各个二元组成体系中的同成分熔融化合物；
将玻璃基质的三个组成成分进行组合，得到三元组成体系，确定三元组成体系的同成分熔融化合物。
例如，对于B2O3-Li2O-MgO三元体系，搜索两两氧化物组合能形成的化合物，以及搜索三个氧化物共同作用形成的化合物。
S02，根据可能的结构基因构建玻璃体系组成图。
请参考图1所示，构建玻璃体系组成图是在以各组成成分为端点的摩尔比例成分图中标注可能的结构基因的坐标。
对于三元玻璃体系，构建玻璃体系组成图是以三个组成成分为顶点绘制摩尔比例成分图，在摩尔比例成分图中标注出所有二元组成体系中的同成分熔融化合物和三元组成体系中的同成分熔融化合物的坐标。
例如，对于B2O3-Li2O-MgO三元体系，在以B2O3、Li2O、MgO为端点的摩尔比例成分图中标注上述同成分熔融化合物的坐标，构建玻璃体系组成图。
S03，在玻璃体系组成图中以结构基因为端点或顶点划分多个成分区。
划分成分区依据最邻近原则或面积最小原则进行。
对于三元玻璃体系，划分成分区是以各组成成分以及各同成分熔融化合物的顶点划分出多个三角形的成分区。
S04，获取结构基因的有效线宽，并计算作为成分区的端点或顶点的多个结构基因的有效线宽之和，作为成分区的选取参数。
获取结构基因的有效线宽可以通过查找资料或者进行实验获得。
S05，比较不同成分区的选取参数，以选取参数最大的成分区作为玻璃基质的选取区。
在一个实施例中，选取玻璃体系组成图中处于玻璃形成区的成分区进行选取参数的计算和比较。
进一步地，本发明还提供一种激光玻璃的制备方法，包括以下步骤：
按上述的激光玻璃的配方设计方法，在所述选取区选取目标激光玻璃的玻璃基质，称取所述玻璃基质的原料，在所述玻璃基质中掺杂发光离子。具体可将玻璃基质的原料与发光离子混合，高温熔融，降温形成激光玻璃产物，再进行抛光处理。
发光离子的掺杂浓度不限，可根据实验进行选择。
发光离子可以选自稀土离子(如Nd3+、Tm3+、Ho3+、Er3+、Yb3+)、过渡金属离子(如Ni3+)和主族元素发光离子(如Bi3+)中的至少一种。
由于玻璃结构的近程有序而远程无序特点，稀土离子在玻璃网络中所处的格位不是完全相同的，在有差异的配位场作用下，不同位置的稀土离子的光谱性能有所差异。因此，稀土离子的跃迁发光谱线表现出非均匀加宽特征。然而，由于玻璃结构的近程有序，这些非均匀加宽特征在一定范围内是可调的。从玻璃基因观点看，对于宽带玻璃光纤的设计，发光离子所处的玻璃基因单元的配位位置的对称性要低，使发光离子的能级不能简并，发生劈裂，实现光谱展宽；同时使发光离子处于不同的玻璃基因单元的配位位置，从而产生不同波长发光，增大发光带宽，最终实现宽带发光。
本发明采用玻璃基因方法对激光玻璃的玻璃基质组分进行设计，实现宽带发光。依据玻璃基因的调控组合实现发光离子配位场调控，使发光离子所处的玻璃基因单元配位位置的对称性降低，发光离子的能级不能简并，会发生劈裂，由于不同能级对应不同频率的发光，若发生能级劈裂则发光频率或称波长会不一样，叠加后会产生光谱展宽。同时，使发光离子处于不同的玻璃基因单元的配位位置，从而产生不同波长的发光，增大发光带宽，最终实现宽带发光。
以下通过具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1 Nd3+掺杂的宽带硼酸盐发光玻璃的配方设计及制备
本实施例具体为Nd3+掺杂的B2O3-Li2O-MgO三元激光玻璃的配方设计方法及制备方法，包括以下步骤：
(1)获取玻璃基质的玻璃体系的结构基因。对于B2O3-Li2O-MgO三元体系，首先搜索两两氧化物组合能形成的化合物，再搜索三个氧化物共同作用形成的化合物。
查阅B2O3-Li2O氧化物作用能形成的化合物，由相图数据得出，Li2O·2B2O3和Li2O·B2O3是同成分熔融化合物。在高温熔化过程中，在熔点以下，同成分熔融化合物随温度的变化不会发生分解。依据玻璃基因结构模型观点，同成分熔融化合物结构基团存在于玻璃熔体中。然而，3Li2O·B2O3、3Li2O·2B2O3、2Li2O·5B2O3、Li2O·3B2O3和Li2O·4B2O3是非同成分熔融化合物，在玻璃熔体中不存在该类型的结构基团。因此，对于B2O3-Li2O二元体系，同成分熔融化合物是Li2O·2B2O3和Li2O·B2O3。
对于B2O3-MgO体系，同成分熔融化合物是3MgO·B2O3和2MgO·B2O3。
对于Li2O-MgO体系，基本远离了玻璃形成区，可不进行考虑。
对于B2O3-Li2O-MgO三元体系，三个氧化物作用能共同形成的同成分熔融化合物为LiBMgO3。
(2)构建玻璃体系组成图。在以B2O3、Li2O、MgO为端点的摩尔比例成分图中标注上述同成分熔融化合物的坐标，构建玻璃体系组成图。如图1所示，摩尔比例成分图中标注包括：A:B2O3,B:Li2O·2B2O3,C:Li2O·B2O3,D:Li2O,E:MgO,F:3MgO·B2O3,G:2MgO·B2O3,H:LiBMgO3。
(3)在玻璃体系组成图中以上述同成分熔融化合物为顶点，依据最邻近原则或面积最小原则划分成分区，如图1所示。
(4)在组成图1中，靠近玻璃形成区的化合物有A:B2O3,B:Li2O·2B2O3,C:Li2O·B2O3,G:2MgO·B2O3。从实验角度得出了A、B、C、G玻璃态化合物的有效线宽，其有效线宽对应分别为42.17nm、40.53nm、39.07nm、55.91nm。A、B、G玻璃态化合物对应的有效线宽较大，因此，在玻璃形成区内，△ABG区域内的玻璃将会有较宽的线宽。基于此，如目标玻璃1的配方落在组成图中△ABG区域内，则目标玻璃1的结构基因即为A、B、G对应的玻璃态化合物，即A:B2O3,B:Li2O·2B2O3,G:2MgO·B2O3。基于玻璃基因观点，宽带发光玻璃需要有较丰富的结构基因，目标玻璃1含有A:B2O3,B:Li2O·2B2O3,G:2MgO·B2O3三种结构基因，则将它作为宽带玻璃配方熔制玻璃。例如，目标玻璃1的配方为10Li2O-59B2O3-30MgO(mol.％)。
在△ABG区域内，玻璃性能可通过A、B、G化合物的性能进行计算，其计算公式为PX＝PALA+PBLB+PGLG，其中PX为目标玻璃的性能；PA、PB、PG为A、B、G化合物对应的性能，其可通过少量实验得出，LA、LB、LG为A、B、G化合物的摩尔含量，其可以通过杆杠定律得出。
(5)按照设计的配方制备出宽带发光玻璃。依据设计的宽带玻璃配方称取原料，并加入1mol％的Nd2O3，然后进行玻璃熔制，并进行退火加工抛光，最后进行荧光光谱测试，荧光光谱测试的泵浦源为808nm激光器，测试Nd3+:4F3/2→4I11/2能级跃迁1060nm附近的发光。如图2所示，测试得出目标玻璃1的发光范围为1018～1135nm。为了对比配方设计前后的效果，我们还测试了Nd3+掺杂的40Li2O-59B2O3-1Nd2O3(mol.％)玻璃的带宽，其配方设计前玻璃荧光的发光范围为1023～1127nm。通过对比可知通过玻璃基因设计实现了宽带的发光玻璃制备，比设计前带宽明显加宽。
实施例2 Tm3+掺杂的宽带锗酸盐发光玻璃的配方设计及制备
本实施例具体为Tm3+掺杂的BaO-Ga2O3-GeO2三元激光玻璃的配方设计方法及制备方法，包括以下步骤：
(1)获取玻璃基质的玻璃体系的结构基因。对于BaO-Ga2O3-GeO2三元体系，需要考虑BaO-GeO2体系形成的化合物、Ga2O3-GeO2体系形成的化合物、BaO-Ga2O3体系形成的化合物及其BaO-Ga2O3-GeO2体系能形成的化合物。
对于BaO和GeO2两种氧化物，其能形成的较稳定化合物为BaO·4GeO2、BaO·GeO2和2BaO·GeO2。
对于Ga2O3和GeO2两种氧化物，其能形成的较稳定化合物为Ga2O3·GeO2。
对于BaO和Ga2O3两种氧化物，其能形成的同成分熔融化合物为BaO·Ga2O3。对于BaO、Ga2O3、GeO2三种氧化物，其能形成的较稳定化合物为BaGa2Ge2O8和Ba3Ga2Ge4O14。
(2)构建玻璃体系组成图。在以BaO、Ga2O3、GeO2为端点的摩尔比例成分图中标注上述同成分熔融化合物的坐标，构建玻璃体系组成图。如图3所示，摩尔比例成分图中标注包括：A:GeO2,B:BaO·4GeO2,C:BaO·GeO2,D:2BaO·GeO2,E:BaO,F:BaO·Ga2O3,G:Ga2O3,H:Ga2O3·GeO2,I:BaGa2Ge2O8,J:Ba3Ga2Ge4O14。
(3)在玻璃体系组成图中以上述同成分熔融化合物为顶点，依据最邻近原则或面积最小原则划分成分区，如图3所示。
(4)在组成图3中，靠近玻璃形成区的化合物有A:GeO2,B:BaO·4GeO2,C:BaO·GeO2,H:Ga2O3·GeO2,I:BaGa2Ge2O8,J:Ba3Ga2Ge4O14。从实验角度得出了A、B、C、H、I、J玻璃态化合物的有效线宽，其有效线宽对应分别为259.41nm、256.83nm、241.22nm、169.26nm、243.38nm、241.41nm。A、B、I玻璃态化合物对应的有效线宽较大，因此，在玻璃形成区内，△ABI区域内的玻璃将会有较宽的线宽。基于此，选取目标玻璃2的配方落在组成图中△ABI区域内，则目标玻璃2的结构基因即为A、B、I对应的玻璃态化合物，即A:GeO2、B:BaO·4GeO2,I:BaGa2Ge2O8。例如，目标玻璃2的配方为20BaO-10Ga2O3-69.2GeO2(mol.％)。
在△ABI区域内，玻璃性能可通过A、B、I化合物的性能进行计算，其计算公式为PX＝PALA+PBLB+PILI，其中PX为目标玻璃的性能；PA、PB、PI为A、B、I化合物对应的性能，其可通过少量实验得出，LA、LB、LI为A、B、I化合物的摩尔含量，其可以通过杆杠定律得出。
(5)按照设计的配方制备出宽带发光玻璃。依据设计的宽带玻璃配方称取原料，并加入0.8mol％的Tm2O3，然后进行玻璃熔制，并进行退火加工抛光，最后进行荧光光谱测试，荧光光谱测试的泵浦源为808nm激光器，测试Tm3+:3F4→3H6能级跃迁1810nm附近的发光。如图4所示，测试得出目标玻璃2的发光范围为1560～2200nm。进一步地，测试了Tm3+掺杂的10BaO-89.2GeO2-0.8Tm2O3(mol.％)玻璃的发光带宽，其配方设计前玻璃荧光的发光范围为1560～2140nm。通过对比可知通过玻璃基因设计实现了宽带的发光玻璃制备，比配方设计前发光带宽加宽。
实施例3 Nd3+掺杂的宽带磷酸盐发光玻璃的配方设计及制备
本实施例具体为Nd3+掺杂的BaO-Al2O3-P2O5三元激光玻璃的配方设计方法及制备方法，包括以下步骤：
(1)获取玻璃基质的玻璃体系的结构基因。对于BaO-Al2O3-P2O5三元体系，要考虑两两氧化物能形成的同成分熔融化合物，及其三个氧化物能形成的相对同成分熔融化合物。
对于BaO-P2O5二元体系，能形成的同成分熔融化合物为BaO·P2O5、2BaO·P2O5、3BaO·P2O5三种的同成分熔融化合物。
对于Al2O3-P2O5二元体系，能形成的同成分熔融化合物为Al2O3·P2O5、Al2O3·3P2O5两种同成分熔融化合物。
对于BaO-Al2O3二元体系，能形成的同成分熔融化合物为BaO·Al2O3。
对于BaO-Al2O3-P2O5三种氧化物，其不能形成同成分熔融化合物。
(2)构建玻璃体系组成图。在以BaO、Al2O3、P2O5为端点的摩尔比例成分图中标注上述同成分熔融化合物的坐标，构建玻璃体系组成图。如图5所示，摩尔比例成分图中标注包括：A:BaO,B:BaO·Al2O3,C:Al2O3,D:Al2O3·P2O5,E:Al2O3·3P2O5,F:P2O5,G:BaO·P2O5,H:2BaO·P2O5,I:3BaO·P2O5。
(3)在玻璃体系组成图中以上述同成分熔融化合物为顶点，依据最邻近原则或面积最小原则划分成分区，如图5所示。
(4)在组成图5中，靠近玻璃形成区的化合物有E:Al2O3·3P2O5,F:P2O5,G:BaO·P2O5,H:2BaO·P2O5。从实验角度得出了E、F、G、H玻璃态化合物的有效线宽，其有效线宽对应分别为37.08nm、36.56nm、37.98nm、40.88nm。在△EFG区域内才能形成玻璃，因此选择△EFG区域内的玻璃作为宽带发光玻璃配方。基于此，我们如目标玻璃3的配方落在组成图5中△EFG区域内，则目标玻璃3的结构基因即为E、F、G对应的玻璃态化合物，即E:Al2O3·3P2O5,F:P2O5,G:BaO·P2O5。例如，目标玻璃3的配方为20BaO-10Al2O3-69 P2O5(mol.％)。
△EFG区域内，则区域内的玻璃性能可通过E、F、G化合物的性能进行计算，其计算公式为PX＝PELE+PFLF+PGLG，其中PX为目标玻璃的性能；PE、PF、PG为E、F、G化合物对应的性能，其可通过少量实验得出；LE、LF、LG为E、F、G化合物的摩尔含量，其可以通过杆杠定律得出。
(5)按照设计的配方制备出宽带发光玻璃。依据设计的宽带玻璃配方称取原料，并加入1mol％的Nd2O3，然后进行玻璃熔制，并进行退火加工抛光，最后进行荧光光谱测试，荧光光谱测试的泵浦源为808nm激光器，测试Nd3+:4F3/2→4I11/2能级跃迁1060nm附近的发光。如图6所示，测试得出目标玻璃3的发光范围。进一步地，测试了Nd3+掺杂的10BaO-89P2O5-1Nd2O3(mol.％)玻璃的带宽，得出配方设计前玻璃荧光的发光范围。通过对比可知经过玻璃基因设计实现了发光光谱展宽。
实施例4 Bi掺杂的宽带发光玻璃制备
(1)确定含有较少结构单元的玻璃配方。此处选择80GeO2-10 Al2O3-10CaO-0.5Bi2O3作为初始玻璃配方。
(2)从玻璃基因角度设计具有复杂玻璃结构基因的玻璃配方。由玻璃基因分析可知，可通过同时引入Ge和Si原子获得较多的结构基因(如[SiO4]四面体、[GeO4]四面体和[GeO6]八面体)，设计后玻璃配方为70GeO2-10 SiO2-10 Al2O3-10CaO-0.5Bi2O3。
(3)按照设计的配方制备出激光玻璃并测试荧光光谱。在808nm光泵浦下，测试了近红外荧光光谱，结果如图7所示，由对比可知，通过设计较多的结构基因，设计后的激光玻璃实现了超宽带发光。发射光谱范围由原来的900-1500nm扩宽到800-1600nm以上。
上述激光玻璃的配方设计方法与制备方法，通过获取目标激光玻璃的玻璃基质的结构基因，构建玻璃体系组成图，以所述结构基因为端点或顶点划分多个成分区，以成分区中的玻璃的多个结构基因的有效线宽之和作为成分区的选取参数，选取参数最大的所述成分区作为所述玻璃基质的选取区，来获取具有更宽的发光光谱的激光玻璃，实现玻璃的宽带发光，解决了以往靠实验试错法研发宽带激光玻璃存在的实验周期长、成本高、效率低等问题，是一种高效的宽带激光玻璃材料研发模式，有利于宽带光纤的快速研发设计。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种宽带激光玻璃的配方设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据目标激光玻璃的玻璃基质的组成成分，获取所述玻璃基质的玻璃体系的结构基因；
根据所述结构基因构建玻璃体系组成图；
在所述玻璃体系组成图中以所述结构基因为端点或顶点划分多个成分区；
获取所述结构基因的有效线宽，并计算作为所述成分区的端点或顶点的多个结构基因的有效线宽之和，作为所述成分区的选取参数；
比较不同所述成分区的所述选取参数，以所述选取参数最大的所述成分区作为所述玻璃基质的选取区；选取所述玻璃体系组成图中处于玻璃形成区的所述成分区进行所述选取参数的计算和比较。
2.如权利要求1所述的宽带激光玻璃的配方设计方法，其特征在于，所述获取所述玻璃基质的结构基因是获取所述玻璃基质的各组成成分以及不同组成成分组合能够共同形成的同成分熔融化合物。
3.如权利要求2所述的宽带激光玻璃的配方设计方法，其特征在于，获取所述同成分熔融化合物是通过查找资料或者依据第一性原理计算获得。
4.如权利要求2所述的宽带激光玻璃的配方设计方法，其特征在于，所述构建玻璃体系组成图是在以各组成成分为端点的摩尔比例成分图中标注所述结构基因的坐标。
5.如权利要求1～4中任一项所述的宽带激光玻璃的配方设计方法，其特征在于，所述获取所述结构基因的有效线宽是通过查找资料获得。
6.如权利要求1～4中任一项所述的激光玻璃的配方设计方法，其特征在于，所述获取所述结构基因的有效线宽是通过进行实验获得。
7.如权利要求1所述的宽带激光玻璃的配方设计方法，其特征在于，所述玻璃基质为三元玻璃体系，所述获取所述玻璃基质的结构基因包括：
将所述玻璃基质的三个组成成分中的任意两个进行组合，得到三个二元组成体系，确定各个所述二元组成体系中的同成分熔融化合物；
将玻璃基质的三个组成成分进行组合，得到三元组成体系，确定所述三元组成体系的同成分熔融化合物。
8.如权利要求7所述的宽带激光玻璃的配方设计方法，其特征在于，所述构建玻璃体系组成图是以三个组成成分为顶点绘制摩尔比例成分图，在所述摩尔比例成分图中标注出所有所述二元组成体系中的同成分熔融化合物和所述三元组成体系中的同成分熔融化合物的坐标。
9.如权利要求8所述的宽带激光玻璃的配方设计方法，其特征在于，所述划分成分区是以各组成成分以及各同成分熔融化合物的顶点划分出多个三角形的成分区。
10.如权利要求1～4、7～9中任一项所述的宽带激光玻璃的配方设计方法，其特征在于，所述划分成分区依据最邻近原则或面积最小原则进行。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101373488A (zh) * 2007-08-21 2009-02-25 京元电子股份有限公司 印刷电路板的堆叠设计系统与方法
CN101545899A (zh) * 2009-04-30 2009-09-30 华南理工大学 一种光纤微流控生物传感器及其制备方法
EP3202724A1 (en) * 2016-02-02 2017-08-09 Schott Corporation Aluminophosphate glass composition
CN109300514A (zh) * 2018-09-17 2019-02-01 华南理工大学 一种采用玻璃材料基因方法预测激光玻璃性能的方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110364231B (zh) * 2019-06-27 2020-03-10 华南理工大学 预测玻璃体系性质的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101373488A (zh) * 2007-08-21 2009-02-25 京元电子股份有限公司 印刷电路板的堆叠设计系统与方法
CN101545899A (zh) * 2009-04-30 2009-09-30 华南理工大学 一种光纤微流控生物传感器及其制备方法
EP3202724A1 (en) * 2016-02-02 2017-08-09 Schott Corporation Aluminophosphate glass composition
CN109300514A (zh) * 2018-09-17 2019-02-01 华南理工大学 一种采用玻璃材料基因方法预测激光玻璃性能的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Quantitative prediction of the glass‐forming region and luminescence properties in Tm 3+ doped germanate laser glasses;Guoquan Qian等;《Journal of the American Ceramic Society》;20200225;第1-11页 *
玻璃基因工程研究;钱国权等;《中国科学技术科学》;20200326;第50卷(第5期);第2-3节 *

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