CN115572065A - 一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃,主要涉及衍射光学技术领域,所述光热敏折变玻璃的阳离子,以阳离子摩尔百分比计,含有:Si4+:55~67%、Na+:20~34%、K+:0~2%、Zn2+:0~6%、Al3+:4~11%、B3+:0~10%、Ag+:0.005~0.10%、Ce4+:0.005~0.10%、Sn4+:0~0.1%、Sb3+:0~0.1%;所述光热敏折变玻璃的阴离子含有Br‑、O2‑和F‑;其中,按阴阳离子总和的摩尔百分比计,(O2‑‑2Si4+‑Zn2+‑1.5Al3+‑1.5B3+‑Ag+‑2Ce4+‑Sn2+‑Sb3+)/(Zn2++0.5Al3++0.5B3+)范围为1.295~1.695。
Description
技术领域
本发明主要涉及衍射光学技术领域,具体涉及一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃及其制备方法。
背景技术
基于光热敏折变玻璃的体布拉格光栅,衍射效率可达到99%以上,具有偏振无关、热机械性稳定以及激光损伤阈值高等优点,并在可见光到近红外区域兼具良好的波长和角度选择性,被广泛应用于近场光束质量控制、脉冲展宽与压缩、光谱控制和光谱合成等方面,成为高功率激光系统的理想器件。例如,反射型体布拉格光栅器件可用于强激光装置半导体激光器泵浦源输出光谱锁定及窄化;透射型体布拉格光栅器件可用于激光近场光束质量优化;啁啾体布拉格光栅器件可用于脉冲压缩与展宽。
光吸收系数是体布拉格光栅的重要指标。用于高功率半导体激光器光谱锁定及窄化的反射型体布拉格光栅,如果光系数过大,容易导致器件温升过高,影响光谱质量,甚至导致器件炸裂。然而,光热敏折变玻璃Na2O、F、Br含量较高,在热处理过程,玻璃易分相乳浊,导致光栅器件的光吸收系数增大,限制了其在高功率激光器上的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃及其制备方法,解决现有技术中如何控制光热敏折变玻璃光吸收系数的技术问题。
本发明公开了一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃,所述光热敏折变玻璃的阳离子,以阳离子摩尔百分比计含有:Si4+:55~67%、Na+:20~34%、K+:0~2%、Zn2+:0~6%、Al3+:4~11%、B3+:0~10%、Ag+:0.005~0.10%、Ce4+:0.005~0.10%、Sn4+:0~0.1%、Sb3+:0~0.1%;
所述光热敏折变玻璃的阴离子含有Br-、O2-和F-,且阴阳离子电荷平衡;其中,按阴阳离子总和的摩尔百分比计,(O2--2Si4+-Zn2+-1.5Al3+-1.5B3+-Ag+-2Ce4+-Sn2+-Sb3+)/(Zn2++0.5Al3++0.5B3+)范围为1.295~1.695。
进一步的,所述光热敏折变玻璃的阳离子,以阳离子摩尔百分比计由:Si4+:55~67%、Na+:20~34%、K+:0~2%、Zn2+:0~6%、Al3+:4~11%、B3+:0~10%、Ag+:0.005~0.10%、Ce4+:0.005~0.10%、Sn4+:0~0.1%、Sb3+:0~0.1%组成;
所述光热敏折变玻璃的阴离子含有Br-、O2-和F-,且阴阳离子电荷平衡;其中,其组分按摩尔百分比表示,(O2--2Si4+-Zn2+-1.5Al3+-1.5B3+-Ag+-2Ce4+-Sn2+-Sb3+)/(Zn2++0.5Al3++0.5B3+)范围为1.295~1.695。
进一步的,其阴离子组分按摩尔百分比表示,Br-/O2-×100:0.3~0.9、F-/O2-×100:2.9~5.5。
进一步的,其阴离子组分按摩尔百分比表示,Br-/O2-×100:0.60~0.85、F-/O2-×100:2.9~4.3。
进一步的,按阴阳离子总和的摩尔百分比计,(O2--2Si4+-Zn2+-1.5Al3+-1.5B3+-Ag+-2Ce4+-Sn2+-Sb3+)/(Zn2++0.5Al3++0.5B3+)范围为1.295~1.500。
进一步的,其阳离子组分按摩尔百分比表示,Si4+:58~67%、和/或Na+:20~30%、和/或Al3+:7~11%、和/或Sn4+:0~0.02%。
进一步的,所述光热敏折变玻璃折射率调制度为1100ppm,优选的为800ppm。
进一步的,所述光热敏折变玻璃780nm光吸收系数范围为0.010~0.030cm-1,优选的为0.010~0.022cm-1。
进一步的,所述光热敏折变玻璃转变温度Tg范围为445~465℃,优选的为454~465℃。
进一步的,所述光热敏折变玻璃熔化温度范围为1275~1335℃,优选的为1305~1335℃。
本发明第二个目的是保护一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃的制备方法,将各原料充分混合均匀后,在1275-1335℃下熔化成玻璃液,经1450~1600℃澄清除泡后,降至1300~1450℃搅拌均化;注入预热到300~400℃的模具中成型,并通入氮气促进玻璃表面冷却,确保玻璃不析晶;玻璃冷却定型后,同模具一起放入退火炉内降温退火,获得无色透明的光热敏折变玻璃块。
本发明第三个目的是保护一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃的应用,用于衍射光学器件的制备,优选用于高功率半导体激光器锁频或窄化的反射式体布拉格光栅制备。
本发明第四个目的是保护玻璃预制件,采用上述玻璃制成。
本发明第五个目的是保护光学元件,采用上述玻璃或采用上述玻璃预制件制成。
本发明第六个目的是保护光学仪器,采用上述玻璃或采用上述光学元件制成。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果是:
1.本发明光热敏折变玻璃以Na2O-Al2O3-SiO2系统玻璃为基础,引入F,Br结晶成分,以CeO2为光敏剂,以Ag2O为核化剂所制备的一种玻璃材料。其原理是,玻璃在310~30nm紫外光曝光的条件下,Ce3+离子失去电子e成为Ce4+离子,Ag+捕获电子成为Ag0。再将玻璃片加热至450℃-550℃进行热处理。热处理过程,Ag0在曝光区域汇聚成颗粒,再以Ag0颗粒为晶核生长出NaF微晶。因NaF折射率远低于玻璃折射率,因而会在曝光位置形成折射率低于基质玻璃的微晶区域,从而实现折射率调制,可用于体布拉格光栅制备;
2.本发明光热敏折变玻璃折射率调制度可达到1100ppm,780nm光吸收系数低至0.010~0.030cm-1,Tg温度为445~465℃,熔化温度为1275~1335℃。可用于高功率半导体激光器锁频和窄化的反射式体布拉格光栅制备。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施方式,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。
下面将详细描述本发明玻璃中各个化学组分(成分)的作用,在本说明书中,如果没有特殊说明,各阳离子组分的含量、合计含量为该阳离子组分的摩尔量与所有阳离子组分总摩尔量的摩尔百分比;阴离子组分的含量、合计含量为该阴离子组分的摩尔量与所有阴离子组分总摩尔量的摩尔百分比;阳离子组分之间的含量比值是各阳离子组分之间的摩尔百分比的比值;阴离子组分之间的含量比值是各阴离子组分之间的摩尔百分比的比值;阴阳离子组分之间的比值,是按照所有阴阳离子组分合计总摩尔量为百分之百进行换算的比值。
Si4+是玻璃网络形成体,以[SiO4]四面体的结构单元形成不规则的连续网络,是形成玻璃的骨架。Si4+含量增加,可提高玻璃的Tg温度,使热稳定性增强,有利于抑制玻璃热处理过程的分相,减小经曝光热处理玻璃的光吸收系数,但过多会导致玻璃粘度大,熔化温度高,玻璃组分挥发大,影响F、Br等易挥发组分含量的稳定性。Si4+含量减少有利于降低玻璃的熔化温度,抑制玻璃熔制过程的组分挥发,但过少会导致玻璃热处理过程易分相,导致经曝光热处理玻璃的光吸收系数增大,且Tg温度会随之降低,热稳定性变差。因此,以阳离子摩尔百分比计,Si4+的含量范围为55~67%,优选的为58~67%。
Zn2+、Al3+是玻璃网络中间体,分别以[ZnO4]、[AlO4]四面体进入玻璃网络结构,均起到为NaF微晶的形成提供网络通道的作用。但同时会提高Na+、F-、Br-在玻璃中的溶解度,不利于NaF微晶的形成,影响玻璃的折射率调制能力。因此,当Zn2+、Al3+增多时,要确保玻璃的折射率调制能力不受影响,Na+、F-+Br-应随之增加。以此为前提,Zn2+增多可增大玻璃的折射率调制度,用Zn2+替代Al3+可降低玻璃的熔化温度,但过多会导致玻璃的Tg温度降低,热稳定性变差,经曝光热处理玻璃的光吸收系数也会增大;反之,当Zn2+减少可提高玻璃Tg温度,使热稳定性增强,且经曝光热处理玻璃的光吸收系数随之减小,但折射率调制度随之减小。因此,以阳离子摩尔百分比计,Zn2+的含量范围为0~6%。
Al3+增多可提高玻璃的Tg温度,热稳定性增强,且有利于抑制玻璃热处理过程的分相,减小经曝光热处理玻璃的光吸收系数,但过多会使玻璃的折射率调制度减小,熔化温度升高。Al3+减少可提高玻璃的折射率调制度,降低熔化温度,但过少会使玻璃Tg温度降低,热稳定性变差,且导致经曝光热处理玻璃的光吸收系数增大。因此,以阳离子摩尔百分比计,Al3+的含量范围为4~11%,优选的为7~11%。
B3+是玻璃网络中间体,以[BO4]四面体进入玻璃网络结构,增加玻璃的网络强度,提高玻璃的Tg温度,并且可以降低玻璃的熔化温度。但引入过多容易导致玻璃热处理过程分相乳浊,使经曝光热处理后玻璃的光吸收系数增大。因此,以阳离子摩尔百分比计,B3+的含量范围为0~10%。
Na+、K+是玻璃网络外体,为助溶剂,能够降低玻璃的熔化温度,有利于减小玻璃组分挥发,提高玻璃中F、Br等易挥发组分的稳定性。其中,Na+为微晶的形成组分,Na+增多可增大玻璃的折射率调制度,但过多会导致玻璃热处理过程易分相乳浊,光吸收系数增大,且Tg温度也随之降低,热稳定性变差。反之,Na+减少有利于减小经曝光热处理玻璃的光吸收系数,提高玻璃Tg温度,但过少会使玻璃折射率调制度过小。因此,以阳离子摩尔百分比计,Na+的含量范围为20~34%,优选的为20~30%。
K+过多易形成KBr晶相,导致玻璃的折射率调制度减小。因此,以阳离子摩尔百分比计,K+的含量范围为0~2%。
Ag-为玻璃的晶核剂,引入越多,在曝光过程越容易形成Ag0,有利于提高玻璃的折射率调制度。但引入量过多,会导致玻璃未曝光区域析晶,减小玻璃的折射率调制度,且在玻璃熔制过程易腐蚀铂金坩埚。因此,以阳离子摩尔百分比计,Ag+的含量范围为0.005~0.100%。
Ce4+为玻璃中的光敏离子,在玻璃熔制过程部分会转变为Ce3+离子,在310~330nm紫外光曝光过程中,玻璃中Ce3+受光子激发产生光电子,由Ag+离子捕获电子,形成银原子Ag0。在热处理过程中,银原子Ag0将核化形成Ag0团簇晶核。Ce的引入量越多,形成的Ce3+越多,越有利于提高玻璃的光敏度,在相同的曝光剂量下形成更多的Ag0,有利于提高玻璃的折射率调制度。但引入量过多,因Ce3+在300~325nm处的本征宽带吸收,会使得对应波段吸收过强,影响玻璃在写入光栅过程中在深度上的曝光均匀性。因此,以阳离子摩尔百分比计,Ce4+的含量范围为0.005~0.10%。
Sn4+可抑制玻璃未曝光区域Ag0的形成,减少未曝光区域的析晶,可提高玻璃的折射率调制度。但过多会导致玻璃在热处理过程易分相乳浊,致使光吸收系数增大。因此,以阳离子摩尔百分比计,Sn4+的含量范围为0~0.10%,优选的为0~0.02%。
Sb3+为敏化剂,可将Ce4+还原成Ce3+,Sn4+还原成Sn2+,部分转变为Sb5+,提高玻璃的光敏度。同时,Sb3+、Sn2+可以抑制升温热处理过程Ag0向Ag-转变,提高成核密度。引入适量的Sb3+有利于提高玻璃的折射率调制度,且可以抑制玻璃热处理过程的分相,减小光吸收系数。但引入过多,会在玻璃中形成过多的Sb5+,在曝光过程与Ag-争夺e,反而使玻璃的折射率调制度减小。因此,以阳离子摩尔百分比计,Sb3+的含量范围为0~0.10%。
本发明的光热敏折变玻璃的阴离子含有Br-、O2-和F-,且阴阳离子电荷达到平衡,其中:
O-是形成[SiO4]四面体玻璃网络骨架结构的必要成分,也是形成[ZnO4]、[AlO4]四面体网络通道,促进NaF微晶形成的必要成分。其含量由除Na+、K+之外的阳离子含量决定。在玻璃所有组分中,控制(O2--2Si4+-Zn2+-1.5Al3+-1.5B3+-Ag+-2Ce4+-Sn2+-Sb3+)/(Zn2++0.5Al3++0.5B3+)的范围为1.295~1.695,优选的为1.295~1.500,可获得更小的光吸收。该比值过小,玻璃网络结构密度较大,熔化温度较高,不利于组分稳定性控制;该比值过大,非桥氧结构浓度增大,玻璃热处理过程易分相乳浊,致使光吸收系数增大。
Br-可降低F-在玻璃中的溶解度,促使NaF微晶的形成,在没有Br-的情况下,很难形成NaF微晶,因此Br-是光热敏折变玻璃的必要成分。另外Br-还可以促进Ag0团簇成核,是玻璃内NaF微晶数量增多。但Br-过多会形成KBr微晶,使玻璃的折射率调制度减小。因此,在玻璃组成中,控制Br-/O2-×100范围为0.3~0.9,优选的为0.60~0.85,可获得更大的折射率调制度。
F元素作为NaF微晶形成的主要成分,含量越多越有利于提高玻璃的折射率调制能力。除此之外,F的引入具有减小玻璃高温低粘度,降低熔化温度的效果。但是,F元素引入过多容易导致热处理析晶难以控制,晶粒尺寸生长过大,且易导致玻璃热处理过程发生分相,使光吸收系数增大。因此,在玻璃组成中,控制F-/O2-×100范围为2.9~5.5,优选的为2.9~4.3,可获得更小的光吸收系数。
本发明的玻璃制备方法包括以下步骤:
选定玻璃配方,按照玻璃组分(成分)比例配制原料以氧化物、氟化物或盐类的形成引入,换算为重量比称量配料,充分混合均匀后加入铂金坩埚或陶瓷坩埚内,在1275~1335℃下熔化成玻璃液,经1450~1600℃澄清除泡后,将至1300~1450℃搅拌均化;将熔制好的玻璃液浇注入预热到300~400℃左右的金属模具中成型,并通入氮气促进玻璃表面冷却,确保玻璃不析晶;玻璃冷却定型后,同金属模具一起放入退火炉内降温退火,获得无色透明的光热敏折变玻璃块。本领域技术人员能够根据实际需要,适当地选择原料、工艺方法和工艺参数。
[玻璃预制件和光学元件]
可以使用例如研磨加工的手段、或再热压成型、精密冲压成型等模压成型的手段,由所制成的光学玻璃来制作玻璃预制件。即,可以通过对光学玻璃进行磨削和研磨等机械加工来制作玻璃预制件,或通过对由光学玻璃制作模压成型用的预成型坯,对该预成型坯进行再热压成型后再进行研磨加工来制作玻璃预制件,或通过对进行研磨加工而制成的预成型坯进行精密冲压成型来制作玻璃预制件。
需要说明的是,制备玻璃预制件的手段不限于上述手段。如上所述,本发明的光学玻璃对于各种光学元件和光学设计是有用的,其中特别优选由本发明的光学玻璃形成预成型坯,使用该预成型坯来进行再热压成型、精密冲压成型等,制作透镜、棱镜等光学元件。
本发明的玻璃预制件与光学元件均由上述本发明的光学玻璃形成。本发明的玻璃预制件具有光学玻璃所具有的优异特性;本发明的光学元件具有光学玻璃所具有的优异特性,能够提供光学价值高的各种透镜、棱镜等光学元件。
作为透镜的例子,可举出透镜面为球面或非球面的凹弯月形透镜、凸弯月形透镜、双凸透镜、双凹透镜、平凸透镜、平凹透镜等各种透镜。
[光学仪器或器件]
本发明光学玻璃所形成的光学元件可用于制作如衍射光学仪器或器件、结构光学仪器或器件、高分辨高速全息记录仪器或器件等光学仪器或器件。
本发明的性能指标方法如下:
[折射率调制度]
将玻璃加工成2~5mm厚薄片,经波长325nm,剂量2.5J/cm2紫外光曝光后,与未曝光玻璃片同时进行热处理。晶化温度为520℃,晶化时间为60分钟。完成热处理后,依据标准GB/T 7962.1-2010进行折射率测试,折射率差值Δnd=nd未曝光玻璃-nd曝光玻璃即为折射率调制度。本发明光热敏折变玻璃折射率调制度可达到1100ppm,优选的为800ppm。
折射率调制度随曝光剂量的增大而增大,因此,折射率调制度可根据曝光剂量进行调整。升高晶化温度和延长晶化时间均可获得更大的折射率调制度,但玻璃的光吸收也将随之增大,难以达到表1~4中所列数据。
[光吸收系数]
将玻璃加工成2~5mm厚薄片,经波长325nm,剂量2.5J/cm2紫外光曝光后,进行热处理。晶化温度为520℃,晶化时间为60分钟。完成热处理后,依据标准GB/T 7962.9-2010进行光吸收系数测试。本发明光热敏折变玻璃780nm光吸收系数范围为0.010~0.030cm-1,优选的为0.010~0.022cm-1。
[转变温度Tg]
依据标准GB/T 7962.16-2010进行Tg温度(转变温度)测试。本发明光热敏折变玻璃转变温度Tg范围为445~465℃,优选的为454~465℃。
[熔化温度]
本发明中所列熔化温度为1.5Kg原料投入到3L坩埚中,30分钟内能充分熔化成玻璃溶液的最低炉温。本发明光热敏折变玻璃熔化温度范围为1275~1335℃,优选的为1305~1335℃。
以下表1~4中示出了本发明玻璃具体实施例。
表1
表2
表3
表4
以上即为本实施例列举的实施方式,但本实施例不局限于上述可选的实施方式,本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式,任何人在本实施例的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本实施例的保护范围的限制,本实施例的保护范围应当以权利要求书中界定的为准,并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (15)
1.一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃,其特征在于:所述光热敏折变玻璃的阳离子,以阳离子摩尔百分比计,含有:Si4+:55~67%、Na+:20~34%、K+:0~2%、Zn2+:0~6%、Al3+:4~11%、B3+:0~10%、Ag+:0.005~0.10%、Ce4+:0.005~0.10%、Sn4+:0~0.1%、Sb3+:0~0.1%;所述光热敏折变玻璃的阴离子含有Br-、O2-和F-,且阴阳离子电荷平衡;
其中,按阴阳离子总和的摩尔百分比计:
(O2--2Si4+-Zn2+-1.5Al3+-1.5B3+-Ag+-2Ce4+-Sn2+-Sb3+)/(Zn2++0.5Al3++0.5B3+)范围为1.295~1.695。
2.一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃,其特征在于:所述光热敏折变玻璃的阳离子,以阳离子摩尔百分比计,由:Si4+:55~67%、Na+:20~34%、K+:0~2%、Zn2+:0~6%、Al3+:4~11%、B3+:0~10%、Ag+:0.005~0.10%、Ce4+:0.005~0.10%、Sn4+:0~0.1%、Sb3+:0~0.1%组成;所述光热敏折变玻璃的阴离子由Br-、O2-和F-组成;
其中,按阴阳离子总和的摩尔百分比计:
(O2--2Si4+-Zn2+-1.5Al3+-1.5B3+-Ag+-2Ce4+-Sn2+-Sb3+)/(Zn2++0.5Al3++0.5B3+)范围为1.295~1.695。
3.根据权利要求1或2所述的一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃,其特征在于:其阴离子组分按摩尔百分比表示,Br-/O2-×100:0.3~0.9、F-/O2-×100:2.9~5.5。
4.根据权利要求3所述的一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃,其特征在于:其阴离子组分按摩尔百分比表示,Br-/O2-×100:0.60~0.85、F-/O2-×100:2.9~4.3。
5.根据权利要求1或2所述的一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃,其特征在于:按阴阳离子总和的摩尔百分比计,:
(O2--2Si4+-Zn2+-1.5Al3+-1.5B3+-Ag+-2Ce4+-Sn2+-Sb3+)/(Zn2++0.5Al3++0.5B3+)范围为1.295~1.500。
6.根据权利要求1或2所述的一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃,其阳离子组分按摩尔百分比表示,其特征在于:Si4+:58~67%、和/或Na+:20~30%、和/或Al3+:7~11%、和/或Sn4+:0~0.02%。
7.根据权利要求1或2所述的一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃,其特征在于:所述光热敏折变玻璃折射率调制度为1100ppm,优选的为800ppm。
8.根据权利要求1或2所述的一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃,其特征在于:所述光热敏折变玻璃780nm光吸收系数范围为0.010~0.030cm-1,优选的为0.010~0.022cm-1。
9.根据权利要求1或2所述的一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃,其特征在于:所述光热敏折变玻璃转变温度Tg范围为445~465℃,优选的为454~465℃。
10.根据权利要求1或2所述的一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃,其特征在于:所述光热敏折变玻璃熔化温度范围为1275~1335℃,优选的为1305~1335℃。
11.根据权利要求1-10任一项所述的一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃的制备方法,其特征在于:将各原料充分混合均匀后,在1275-1335℃下熔化成玻璃液,经1450~1600℃澄清除泡后,降至1300~1450℃搅拌均化;
然后注入预热到300~400℃的模具中成型,并通入氮气促进玻璃表面冷却,确保玻璃不析晶;
玻璃冷却定型后,同模具一起放入退火炉内降温退火,获得无色透明的光热敏折变玻璃块。
12.根据权利要求1-10任一项所述的一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃的应用,其特征在于:用于衍射光学器件的制备,优选用于高功率半导体激光器锁频或窄化的反射式体布拉格光栅制备。
13.玻璃预制件,其特征在于:采用权利要求1-10任一项所述的一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃制成。
14.光学元件,其特征在于:采用权利要求1-10任一项所述的一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃或采用权利要求13所述的玻璃预制件制成。
15.光学仪器,其特征在于:采用权利要求1-10任一项所述的一种低吸收损耗的光热敏折变玻璃或采用权利要求14所述的光学元件制成。
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