CN116375347A - 一种锗酸盐玻璃光纤的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锗酸盐玻璃光纤的制备方法，为2μm波段的光纤激光器能够应用于具有伽马射线辐照的恶劣环境下提供了关键锗酸盐玻璃基质材料，其组份包括BaO‑Ga2O3‑GeO2为基本组分，加入一定比例的Pr6O11、Tm2O3、Ho2O3或相混合引入，然后置于高温电炉中加热熔化，将玻璃熔化液经除水去除羟基、搅拌、澄清后浇铸在不锈钢模具上，精密退火后获得这种可抑制伽马射线辐照暗化的锗酸盐玻璃，通过在锗酸盐玻璃中添加氧化镨比例结合组份来实现减少自由电子和空穴，减少化学键的断裂实现，以提高锗酸盐玻璃抑制伽马射线辐照导致的光暗化能力，采用机械冷加工来制备光纤预制棒，进而热拉制成光纤，此光纤可应用在2μm波段激光使用。
Description
技术领域
本发明属于玻璃光纤领域，具体涉及一种抑制伽马射线辐照的玻璃光纤的制备方法。
背景技术
2μm波段光纤激光在激光通讯、激光雷达、激光光谱、激光医疗和中远红外激光产生等领域有着广泛的应用。传统最常用的2μm波段激光的激光增益介质是在石英玻璃光纤中掺杂稀土离子，但是石英玻璃稀土掺杂浓度较低，限制了2μm波段激光的输出功率和性能。近年来，国内外越来越多学者把目光转向稀土溶解度高的多组分锗酸盐玻璃光纤。锗酸盐玻璃因其具有适中的声子能量、高的稀土离子溶解度、高的抗激光损伤阈值、以及优异的化学和机械性能，而成为2μm波段光纤激光器理想的增益材料，并已获得重要应用。
然而，当2μm波段光纤激光用于星载应用(卫星应用)或其它具有高能粒子射线辐照的恶劣环境下时，特别是当伽马射线辐照以BaO-Ga2O3-GeO2为基本组分的锗酸盐玻璃时，会产生自由电子和空穴，甚至是化学键的断裂，而这会导致玻璃结构缺陷的产生，从而导致锗酸盐玻璃透过率降低，产生“暗化”，即较强的高能粒子辐照会导致激光器中玻璃光纤透光率逐渐降低，此现象也被称为光纤“暗化效应”。光纤暗化将导致激光器失效，严重影响激光器件的使用稳定性和寿命。
其玻璃在2μm波段中采用铥或钬离子，是为了发光，这是行业内熟知的，而采用在玻璃中掺杂镨离子，常规应用也是应用赋予玻璃发光能力。
本发明通过在锗酸盐玻璃组份加工中引入一定量配比镨离子氧化物，不同于镨的常规应用，而是可有效提高锗酸盐玻璃光纤抑制伽马射线辐照暗化的能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种抑制伽马射线辐照暗化的锗酸盐玻璃光纤的制备方法，为2μm波段的光纤激光器使用，且具有伽马射线辐照的恶劣环境下提供了关键锗酸盐玻璃基质材料。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种抑制伽马射线辐照暗化的锗酸盐玻璃，包括如下成份：
其中R2O3为包含至少一种用于2μm波段发光的稀土发光离子的氧化物，包括在玻璃中掺杂Tm2O3和/或Ho2O3。
上述的抑制伽马射线辐照暗化的锗酸盐玻璃的制备方法，包括以下步骤：
将原料氧化物研磨后熔融成玻璃液，玻璃液经澄清后转移到玻璃钢板上冷却成型，然后进行退火得到所述抑制伽马射线辐照暗化的锗酸盐玻璃。
优选的，所述研磨的时间为10-30min。
优选的，所述熔融的温度为1300～1500℃。
优选的，所述熔融的时间为1～3h。
优选的，所述退火在退火炉中进行。
进一步优选的，所述退火具体为：先于570～670℃条件下保温1～3h，然后随退火炉冷却至室温。
与现有技术相比，本发明具有以下显著的有益效果：
通过本发明特定比例组份及方法制备的掺杂一定量比例氧化镨的锗酸盐玻璃，通过在锗酸盐玻璃中添加氧化镨比例结合其它组份来实现减少自由电子和空穴，即减少化学键的断裂，以提高锗酸盐玻璃抑制伽马射线辐照导致的光暗化能力，相比于未进行掺杂的锗酸盐玻璃，具有更好的抑制伽马射线辐照暗化性能，同时，采用机械冷加工来制备光纤预制棒，进而热拉制成玻璃光纤使用在2μm波段激光使用的激光增益介质，使用时达到抑制伽马射线辐照暗化的能力。
(2)本发明制备的掺杂氧化镨的锗酸盐玻璃光纤，可在2μm波段激光且具有伽马射线辐照的恶劣环境下使用。
附图说明
图1是氧化镨掺杂的锗酸盐玻璃和无氧化镨掺杂的锗酸盐玻璃的吸收光谱图；
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实例作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
对比例
未掺杂氧化镨锗酸盐玻璃的制备
未掺杂氧化镨锗酸盐玻璃的氧化物组成为：
将各氧化物(纯度≥99.99％)按照配方称好，待充分混合均匀形成混合料后转移至氧化铝坩埚中，并置于高温井式炉中1400℃进行熔制2h，得到熔融的玻璃液，待玻璃液澄清后倒在玻璃钢板上进行冷却成型，随后将玻璃放入已升温至略低于所述玻璃的玻璃转变温度的退火炉中，在620℃保温2h后随炉冷却至室温。
把退火好的样品加工成20mm×20mm×2mm的玻璃片并在其两面进行抛光，抛光完后用于50KGy剂量的γ射线辐照，再进行吸收光谱和EPR测试，如图1所示。未掺杂的锗酸盐玻璃在辐照后出现明显的吸收损耗，且出现色心缺陷。
实施例1
一种抑制伽马射线辐照的玻璃光纤的制备方法:
通过在锗酸盐玻璃中掺杂Pr6O11
本实施例的氧化镨掺杂锗酸盐玻璃，其组成配比如下：
将各氧化物(纯度≥99.99％)按照配方称好，待充分混合均匀形成混合料后转移至氧化铝坩埚中，并置于高温井式炉中1400℃进行熔制2h，得到熔融的玻璃液，待玻璃液澄清后倒在玻璃钢板上进行冷却成型，随后将玻璃放入已升温至略低于所述玻璃的玻璃转变温度的退火炉中，在620℃保温2h后随炉冷却至室温。
把退火好的样品加工成20mm×20mm×2mm的玻璃片并在其两面进行抛光，抛光完后用于50KGy剂量的伽马射线辐照，再进行玻璃光吸收测量，获得玻璃的吸收光谱，如图1所示。在图1中，未掺杂氧化镨的锗酸盐玻璃在辐照后出现明显的吸收损耗，如在400nm处，光吸收系数为0.260mm-1；而掺杂0.5mol％氧化镨的锗酸盐玻璃在辐照后吸收损耗显著小于未掺杂的锗酸盐玻璃，在400nm处，光吸收系数仅为0.046mm-1，表明氧化镨在玻璃中的掺杂可降低伽马射线辐照在锗酸盐玻璃中诱导的结构缺陷，因而增加了锗酸盐玻璃透光能力。
实施例2
一种抑制伽马射线辐照的玻璃光纤的制备方法
通过在锗酸盐玻璃中掺杂Pr6O11，
本实施例的氧化镨掺杂锗酸盐玻璃，其组成配比如下：
将各氧化物(纯度≥99.99％)按照配方称好，待充分混合均匀形成混合料后转移至氧化铝坩埚中，并置于高温井式炉中1400℃进行熔制2h，得到熔融的玻璃液，待玻璃液澄清后倒在玻璃钢板上进行冷却成型，随后将玻璃放入已升温至略低于所述玻璃的玻璃转变温度的退火炉中，在620℃保温2h后随炉冷却至室温。
把退火好的样品加工成20mm×20mm×2mm的玻璃片并在其两面进行抛光，抛光完后用于50KGy剂量的伽马射线辐照，再进行玻璃光吸收测量，获得玻璃的吸收光谱，如图1所示。在图1中，未掺杂氧化镨的锗酸盐玻璃在辐照后出现明显的吸收损耗，如在400nm处，光吸收系数为0.260mm-1；而掺杂1.0mol％氧化镨的锗酸盐玻璃在辐照后吸收损耗显著小于未掺杂的锗酸盐玻璃，在400nm处，光吸收系数仅为0.050mm-1。表明氧化镨在玻璃中的掺杂可降低伽马射线辐照在锗酸盐玻璃中诱导的结构缺陷，因而增加了锗酸盐玻璃透光能力。
实施例3
一种抑制伽马射线辐照的玻璃光纤的制备方法
通过在锗酸盐玻璃中掺杂Pr6O11
本实施例的氧化镨掺杂锗酸盐玻璃，其组成配比如下：
将各氧化物(纯度≥99.99％)按照配方称好，待充分混合均匀形成混合料后转移至氧化铝坩埚中，并置于高温井式炉中1400℃进行熔制2h，得到熔融的玻璃液，待玻璃液澄清后倒在玻璃钢板上进行冷却成型，随后将玻璃放入已升温至略低于所述玻璃的玻璃转变温度的退火炉中，在620℃保温2h后随炉冷却至室温。
把退火好的样品加工成20mm×20mm×2mm的玻璃片并在其两面进行抛光，抛光完后用于50KGy剂量的伽马射线辐照，再进行玻璃光吸收测量，获得玻璃的吸收光谱，如图1所示。在图1中，未掺杂氧化镨的锗酸盐玻璃在辐照后出现明显的吸收损耗，如在400nm处，光吸收系数为0.260mm-1；而掺杂1.5mol％氧化镨的锗酸盐玻璃在辐照后吸收损耗显著小于未掺杂的锗酸盐玻璃，在400nm处，光吸收系数仅为0.062mm-1。表明氧化镨在玻璃中的掺杂可降低伽马射线辐照在锗酸盐玻璃中诱导的结构缺陷，因而增加了锗酸盐玻璃透光能力。
实施例4
一种抑制伽马射线辐照的玻璃光纤的制备方法
通过在锗酸盐玻璃中掺杂Pr6O11
本实施例的氧化镨掺杂锗酸盐玻璃，其组成配比如下：
将各氧化物(纯度≥99.99％)按照配方称好，待充分混合均匀形成混合料后转移至氧化铝坩埚中，并置于高温井式炉中1400℃进行熔制2h，得到熔融的玻璃液，待玻璃液澄清后倒在玻璃钢板上进行冷却成型，随后将玻璃放入已升温至略低于所述玻璃的玻璃转变温度的退火炉中，在620℃保温2h后随炉冷却至室温。
把退火好的样品加工成20mm×20mm×2mm的玻璃片并在其两面进行抛光，抛光完后用于50KGy剂量的伽马射线辐照，再进行玻璃光吸收测量，获得玻璃的吸收光谱，如图1所示。在图1中，未掺杂氧化镨的锗酸盐玻璃在辐照后出现明显的吸收损耗，如在400nm处，光吸收系数为0.260mm-1；而掺杂2mol％氧化镨的锗酸盐玻璃在辐照后吸收损耗显著小于未掺杂的锗酸盐玻璃，在400nm处，光吸收系数仅为0.050mm-1；表明氧化镨在玻璃中的掺杂可降低伽马射线辐照在锗酸盐玻璃中诱导的结构缺陷，因而增加了锗酸盐玻璃透光能力。
玻璃中采用铥或钬，(即Tm或Ho)，或两者混合引入，是为了发光(在2微米波段)，这是行业内熟知的，本申请引用，以确保物料投入高温熔炼达到激光增益介质的锗酸盐玻璃形成的结构锁定，同时进一步确保实现减少自由电子和空穴，减少化学键的断裂，以保证形成的锗酸盐玻璃实现抑制伽马射线辐照导致的光暗化能力；而镨(Pr)也可以发光，但是本发明中镨结合其它组份的作用是抑制伽马射线辐照导致的暗化，是针对锗酸盐玻璃暗化设计的,也是本光纤的重要创新点。
Claims (5)
1.一种锗酸盐玻璃光纤的制备方法，其特征在于，该方法采用熔融烧铸法制备，具体包括如下步骤：
选定玻璃组成配比，所述的玻璃的组成配比如下：
其中R2O3为包含至少一种用于2μm波段发光的稀土发光离子的氧化物；
按照该配比称取各组分，将各组分分别研磨至粉末后在坩埚内混合均匀，然后置于高温电炉中加热至1300℃～1500℃进行熔化，将玻璃熔化液经除水去除羟基、搅拌、澄清后浇铸在不锈钢模具上，精密退火后获得可抑制伽马射线辐照暗化的锗酸盐玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种锗酸盐玻璃光纤的制备方法，其特征在于：还包括在玻璃中掺杂Tm2O3或Ho2O3，或两者混合引入，其组份为1mol％。
3.根据权利要求1所述的一种锗酸盐玻璃光纤的制备方法，其特征在于：用成形的锗酸盐玻璃加工制备成玻璃光纤，形成于2μm波段激光使用的激光增益介质。
4.根据权利要求3所述的一种锗酸盐玻璃光纤的制备方法，其特征在于：所述用该玻璃加工制备成玻璃光纤，是采用机械冷加工来制备光纤预制棒，进而热拉制成锗酸盐玻璃光纤。
5.根据权利要求1所述的一种锗酸盐玻璃光纤的制备方法，其特征在于：所述研磨的时间为10-30min；所述熔融的时间为1～3h。
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