CN116759022A - 一种调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法，对于给定的稀土离子掺杂激光玻璃组成，先基于分子动力学模拟得到相应的玻璃结构模型，然后计算玻璃结构模型中稀土离子的局域结构特征参数，再通过玻璃组成来调节局域结构特征参数，进而控制稀土离子局域结构的变化，最终实现对激光玻璃发光峰位的调控。本发明解决了目前实验手段不能直接分析稀土离子局域结构而无法对稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位进行有效调控的问题，实现了对稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的快速、有效调控，另外还进一步揭示了玻璃的组成‑结构‑性能的相互关系，将推动高性能激光玻璃的低成本、高效率研发，有望促进玻璃科学与技术的发展。
Description
技术领域
本发明属于稀土离子掺杂激光玻璃领域，具体涉及一种调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法。
背景技术
玻璃广泛应用于日常生活、国防建设、生物医疗、安全防护、激光武器、能源、天文学等领域。其中，稀土离子掺杂激光玻璃作为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材料。随着智能制造、精密测量、激光核聚变、光纤传感等领域的快速发展，对激光玻璃材料性能提出了许多新的需求。
稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的可调性对扩展激光的工作波长和带宽至关重要，在波长可调谐光纤激光器、宽带光纤放大器以及超短脉冲光纤激光器领域具有广阔的应用前景。激光玻璃发光峰位与其稀土离子局域结构密切相关，但由于玻璃结构复杂性以及稀土离子局域结构尺寸极小等特征，无法通过现有的实验表征技术来直接进行结构分析，从而无法对激光玻璃发光峰位进行有效调控。目前，调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位主要靠“实验试错法”，该方法成本高、周期长、效率低，难以满足需求。因此，亟需一种针对激光玻璃发光峰位的高效且低成本的调控方法。
发明内容
为了实现对稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的快速、有效调控，本发明基于稀土离子局域结构的中程序与发光峰位的关联性，提供了一种调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法，能够推动高性能激光玻璃的低成本、高效率研发。
具体技术方案如下：
一种调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法，步骤如下：
S1、基于给定的稀土离子掺杂激光玻璃组分，通过PACKMOL软件得到初始结构模型；
S2、对所述初始结构模型进行几何优化，得到优化结构模型；
S3、基于分子动力学理论，通过LAMMPS软件对所述优化结构模型进行熔融淬火模拟，得到玻璃结构模型；
S4、计算所述玻璃结构模型中稀土离子的局域结构特征参数；
S5、通过调控稀土离子掺杂激光玻璃组分，并重复步骤S1～S4获得相应的稀土离子的局域结构特征参数，实现对激光玻璃发光峰位的调控。
进一步地，在步骤S1中，所述的稀土离子掺杂激光玻璃为稀土离子掺杂的多组分氧化物玻璃，稀土离子包括Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+、Pr3+、Dy3+、Eu3+和Tb3+中的一种或多种。
进一步地，在步骤S2中，对所述初始结构模型进行几何优化的方法包括：对所述初始结构模型中的原子位置加入随机扰动，通过梯度下降算法使结构模型能量最小化，得到所述优化结构模型。
进一步地，在步骤S3中，所述的熔融淬火模拟包括如下步骤：
S31、将所述优化结构模型在3800～4200K下进行1ns弛豫；
S32、将弛豫后的结构模型从3800～4200K降温至280～320K，降温速率为0.5～1.5K/ps；
S33、将降温后的结构模型在280～320K下进行1ns弛豫，得到所述玻璃结构模型。
进一步地，在步骤S3中，所述的熔融淬火模拟包括如下步骤：
S31、将所述优化结构模型在4000K下进行1ns弛豫；
S32、将弛豫后的结构模型从4000K降温至300K，降温速率为1K/ps；
S33、将降温后的结构模型在300K下进行1ns弛豫，得到所述玻璃结构模型。
进一步地，在步骤S4中，所述稀土离子的局域结构特征参数是指稀土离子的结构因子SRe(q)图谱，由式(1)计算得到：
式中，Re表示稀土离子，ρ表示原子数密度，r表示稀土离子与其局域原子之间的距离，q表示散射矢量，R表示实空间中积分的最大值，FL(r)表示Lorch型函数，gRe(r)表示稀土离子局域的径向分布函数。
进一步地，在步骤S5中，通过调控稀土离子掺杂激光玻璃组分使所述SRe(q)图谱的第一个衍射峰(FSDP)的峰位发生移动，实现对激光玻璃发光峰位的调控。
进一步地，通过所述SRe(q)图谱的第一个衍射峰的峰位的移动来预测激光玻璃发光峰位的移动，实现对激光玻璃发光峰位的调控。
本申请基于稀土离子局域结构中程序与其发射光谱的关联性，提供了一种基于分子动力学理论模拟调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法。该方法克服了“实验试错法”的成本高、周期长、效率低等缺点，实现了对激光玻璃发射光谱峰位的快速、有效调控，能够推动高性能激光玻璃的低成本、高效率研发。
进一步地，本申请还设计了表征稀土离子局域结构中程序的SRe(q)图谱，并通过控制SRe(q)图谱的第一个衍射峰(FSDP)的峰位的变化来实现对激光玻璃发光峰位的调控，从微观结构上对稀土离子掺杂激光玻璃的光谱进行调控，揭示玻璃组成-结构-性能的相互关系，推动玻璃科学与技术的发展。
附图说明
图1为实施例1中调控前后(原组成和组成2)的激光玻璃的SRe(q)图谱的第一衍射峰(FSDP)；
图2为实施例1中调控前后(原组成和组成2)的激光玻璃的发光光谱。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本申请的一种调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法作进一步详细的说明。本申请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方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请公开内容理解更加透彻全面。
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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请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，不是旨在于限制本申请。
本文中，“一种或多种”指所列项目的任一种、任两种或任两种以上。
本申请中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本申请中，涉及到数值区间，如无特别说明，上述数值区间内视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
本申请中涉及的百分比含量，如无特别说明，对于固液混合和固相-固相混合均指质量百分比，对于液相-液相混合指体积百分比。
本申请中涉及的百分比浓度，如无特别说明，均指终浓度。所述终浓度，指添加成分在添加该成分后的体系中的占比。
本申请中的温度参数，如无特别限定，既允许为恒温处理，也允许在一定温度区间内进行处理。所述的恒温处理允许温度在仪器控制的精度范围内进行波动。
本申请的一些示例提供一种调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法，步骤如下：
S1、基于给定的稀土离子掺杂激光玻璃组分，通过PACKMOL软件得到初始结构模型；
S2、对所述初始结构模型进行几何优化，得到优化结构模型；
S3、基于分子动力学理论，通过LAMMPS软件对所述优化结构模型进行熔融淬火模拟，得到玻璃结构模型；
S4、计算所述玻璃结构模型中稀土离子的局域结构特征参数；
S5、通过调控稀土离子掺杂激光玻璃组分，并重复步骤S1～S4获得相应的稀土离子的局域结构特征参数，实现对激光玻璃发光峰位的调控。
可以理解地，“给定的稀土离子掺杂激光玻璃组分”是指调控前的原稀土离子掺杂激光玻璃组分，其主要作为调控的基础，具体组成可不作特别限制，可以根据本领域已有的稀土离子掺杂激光玻璃进行设计。
另外，“调控稀土离子掺杂激光玻璃组分”的方法可以为玻璃组分的增减，也可以为调整各玻璃组分的百分占比，具体调控方法可不作特别限制。
不作限制地，在步骤S1中，所述的稀土离子掺杂激光玻璃为稀土离子掺杂的多组分氧化物玻璃，稀土离子包括Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+、Pr3+、Dy3+、Eu3+和Tb3+中的一种或多种。
不作限制地，所述多组分氧化物玻璃为多组分锗酸盐玻璃和多组分硅酸盐玻璃中的一种或两种。
在其中一些示例中，在步骤S2中，对所述初始结构模型进行几何优化的方法包括：对所述初始结构模型中的原子位置加入随机扰动，通过梯度下降算法使结构模型能量最小化，得到所述优化结构模型。
在其中一些示例中，在步骤S3中，所述的熔融淬火模拟包括如下步骤：
S31、将所述优化结构模型在3800～4200K下进行1ns弛豫；
S32、将弛豫后的结构模型从3800～4200K降温至280～320K，降温速率为0.5～1.5K/ps；
S33、将降温后的结构模型在280～320K下进行1ns弛豫，得到所述玻璃结构模型。
进一步地，在步骤S3中，所述的熔融淬火模拟包括如下步骤：
S31、将所述优化结构模型在4000K下进行1ns弛豫；
S32、将弛豫后的结构模型从4000K降温至300K，降温速率为1K/ps；
S33、将降温后的结构模型在300K下进行1ns弛豫，得到所述玻璃结构模型。
在其中一些示例中，在步骤S4中，所述稀土离子的局域结构特征参数是指稀土离子的结构因子SRe(q)图谱，由式(1)计算得到：
式中，Re表示稀土离子，ρ表示原子数密度，r表示稀土离子与其局域原子之间的距离，q表示散射矢量，R表示实空间中积分的最大值，FL(r)表示Lorch型函数，gRe(r)表示稀土离子局域的径向分布函数。可以理解地，dr表示r的微分。
进一步地，在步骤S5中，通过调控稀土离子掺杂激光玻璃组分使所述SRe(q)图谱的第一个衍射峰(FSDP)的峰位发生移动，实现对激光玻璃发光峰位的调控。
进一步地，FSDP峰位的移动反映了稀土离子的局域结构的变化，通过FSDP峰位的移动来预测激光玻璃发光峰位的移动，实现对激光玻璃发光峰位的调控。作为举例地，若FSDP峰位向左移动，表示激光玻璃发光峰位蓝移；若FSDP峰位向右移动，表示激光玻璃发光峰位红移。
本申请进一步揭示了玻璃的组成-结构-性能之间的相互关系，可先理论计算出通过稀土离子掺杂激光玻璃的组成引起FSDP峰位的变化，从而实现稀土离子掺杂激光玻璃的发光峰位调控，最后将调整后的稀土离子掺杂激光玻璃的组成制备出玻璃样品，这将大大缩短高性能激光玻璃的研发周期、减少试验量、降低研发成本。
以下具体的实施例。
实施例1：
本实施例为一种调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法，具体步骤如下：
S1.给定的稀土离子Er3+掺杂锗酸盐激光玻璃组成为：
基于给定的稀土离子Er3+掺杂锗酸盐激光玻璃组成，通过PACKMOL软件得到初始结构模型。
S2.对初始结构模型中的原子位置加入随机扰动，通过梯度下降算法使结构模型能量最小化，得到优化结构模型。
S3.基于分子动力学理论，通过LAMMPS软件对优化结构模型进行高温熔融淬火模拟，包括如下步骤：
S31.将优化结构模型在4000K下进行1ns弛豫；
S32.将高温弛豫后的结构模型从4000K降温至300K，降温速率为1K/ps；
S33.将降温后的结构模型在300K下进行1ns弛豫，得到玻璃结构模型。
S4.通过式(1)计算Er3+的结构因子SRe(q)图谱，其中第一个衍射峰(FSDP)的峰位为
S5.将给定的玻璃组成分别调整为玻璃组成1和组成2：
组成1：
组成2：
重复步骤S1～S4，分别计算组成1和组成2中玻璃结构的Er3+的结构因子SRe(q)图谱，发现组成1玻璃结构的FSDP峰位较原给定的玻璃组成未发生移动，组成2玻璃结构的FSDP峰位向右移动如图1所示。因此，将原给定的玻璃组成调整为组成2，可实现Er3 +在1.5μm波段发光峰位的红移。
进一步的，采用熔融退火法对原给定的玻璃组成和组成2玻璃进行制备，并测试其发射光谱，如图2所示，由图可知，组成2的玻璃在1.5μm波段发光峰位比原给定的玻璃组成红移了15nm，表明实现了对Er3+掺杂锗酸盐激光玻璃发光峰位的调控。
实施例2：
本实施例为一种调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法，具体步骤如下：
S1.给定的稀土离子Nd3+掺杂硅酸盐激光玻璃组成为：
基于给定的稀土离子Nd3+掺杂硅酸盐激光玻璃组成，通过PACKMOL软件得到初始结构模型。
S2.对初始结构模型中的原子位置加入随机扰动，通过梯度下降算法使结构模型能量最小化，得到优化结构模型。
S3.基于分子动力学理论，通过LAMMPS软件对优化结构模型进行高温熔融淬火模拟，包括如下步骤：
S31.将优化结构模型在4000K下进行1ns弛豫；
S32.将高温弛豫后的结构模型从4000K降温至300K，降温速率为1K/ps；
S33.将降温后的结构模型在300K下进行1ns弛豫，得到玻璃结构模型。
S4.通过式(1)计算Nd3+的结构因子SRe(q)图谱，其中第一个衍射峰(FSDP)的峰位为
S5.将给定的玻璃组成分别调整为玻璃组成1和组成2：
组成1：
组成2：
重复步骤S1～S4，分别计算组成1和组成2中玻璃结构的Nd3+的结构因子SRe(q)图谱，发现组成1玻璃结构的FSDP峰位向较原给定的玻璃组成向左移动而组成2玻璃结构的FSDP峰位未发生移动。因此，将原给定的玻璃组成调整为组成1，可实现Nd3+在0.9μm波段发光峰位的蓝移。
进一步的，采用熔融退火法对原给定的玻璃组成和组成1玻璃进行制备，并测试其发射光谱，组成1的玻璃在0.9μm波段发光峰位比原组分玻璃蓝移了32.5nm，实现了对Nd3+掺杂硅酸盐激光玻璃发光峰位的调控。
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申请的几种实施方式，便于具体和详细地理解本申请的技术方案，但并不能因此而理解为对申请专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本申请提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑的分析、推理或者有限的试验得到的技术方案，均在本申请所附权利要求的保护范围内。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。
Claims (8)
1.一种调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法，其特征在于，步骤如下：
S1、基于给定的稀土离子掺杂激光玻璃组分，通过PACKMOL软件得到初始结构模型；
S2、对所述初始结构模型进行几何优化，得到优化结构模型；
S3、基于分子动力学理论，通过LAMMPS软件对所述优化结构模型进行熔融淬火模拟，得到玻璃结构模型；
S4、计算所述玻璃结构模型中稀土离子的局域结构特征参数；
S5、通过调控稀土离子掺杂激光玻璃组分，并重复步骤S1～S4获得相应的稀土离子的局域结构特征参数，实现对激光玻璃发光峰位的调控。
2.根据权利要求1所述的调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述的稀土离子掺杂激光玻璃为稀土离子掺杂的多组分氧化物玻璃，稀土离子包括Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+、Pr3+、Dy3+、Eu3+和Tb3+中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法，其特征在于，在步骤S2中，对所述初始结构模型进行几何优化的方法包括：对所述初始结构模型中的原子位置加入随机扰动，通过梯度下降算法使结构模型能量最小化，得到所述优化结构模型。
4.根据权利要求1所述的调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述的熔融淬火模拟包括如下步骤：
S31、将所述优化结构模型在3800～4200K下进行1ns弛豫；
S32、将弛豫后的结构模型从3800～4200K降温至280～320K，降温速率为0.5～1.5K/ps；
S33、将降温后的结构模型在280～320K下进行1ns弛豫，得到所述玻璃结构模型。
5.根据权利要求4所述的调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述的熔融淬火模拟包括如下步骤：
S31、将所述优化结构模型在4000K下进行1ns弛豫；
S32、将弛豫后的结构模型从4000K降温至300K，降温速率为1K/ps；
S33、将降温后的结构模型在300K下进行1ns弛豫，得到所述玻璃结构模型。
6.根据权利要求1～5任一项所述的调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法，其特征在于，在步骤S4中，所述稀土离子的局域结构特征参数是指稀土离子的结构因子SRe(q)图谱，由式(1)计算得到：
式中，Re表示稀土离子，ρ表示原子数密度，r表示稀土离子与其局域原子之间的距离，q表示散射矢量，R表示实空间中积分的最大值，FL(r)表示Lorch型函数，gRe(r)表示稀土离子局域的径向分布函数。
7.根据权利要求6所述的调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法，其特征在于，在步骤S5中，通过调控稀土离子掺杂激光玻璃组分使所述SRe(q)图谱的第一个衍射峰的峰位发生移动，实现对激光玻璃发光峰位的调控。
8.根据权利要求7所述的调控稀土离子掺杂激光玻璃发光峰位的方法，其特征在于，通过所述SRe(q)图谱的第一个衍射峰的峰位的移动来预测激光玻璃发光峰位的移动，实现对激光玻璃发光峰位的调控。
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|---|---|---|---|---|
| CN110451798A (zh) * | 2019-08-26 | 2019-11-15 | 井冈山大学 | 一种二价铕激活锂硼酸盐闪烁玻璃及其制备方法 |
| WO2021212942A1 (zh) * | 2020-04-24 | 2021-10-28 | 武汉大学 | 一种低温掺杂、高光致发光量子产率的钙钛矿薄膜及其制备方法 |
| CN115132283A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-09-30 | 武汉大学 | 一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法 |
-
2023
- 2023-05-26 CN CN202310607549.6A patent/CN116759022B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110451798A (zh) * | 2019-08-26 | 2019-11-15 | 井冈山大学 | 一种二价铕激活锂硼酸盐闪烁玻璃及其制备方法 |
| WO2021212942A1 (zh) * | 2020-04-24 | 2021-10-28 | 武汉大学 | 一种低温掺杂、高光致发光量子产率的钙钛矿薄膜及其制备方法 |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| PIYACHAT MEEJITPAISAN等: "Enhancement of luminescence light yield of Ln3+ doped glass by oxyfluoride glass matrix", 《2017 5TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON INSTRUMENTATION, COMMUNICATIONS, INFORMATION TECHNOLOGY, AND BIOMEDICAL ENGINEERING (ICICI-BME)》, pages 5 - 9 * |
| 李小燕: "钙钛矿量子点与稀土离子掺杂玻璃光学特性及应用研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）工程科技Ⅰ辑》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116759022B (zh) | 2024-02-02 |
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