一種稀土銩摻雜的鋁酸鹽發光玻璃及其製備方法
2023-10-29 06:41:07 1
專利名稱：一種稀土銩摻雜的鋁酸鹽發光玻璃及其製備方法
技術領域：
本發明屬於稀土發光和光放大材料技術領域，具體來說涉及一種以稀土銩摻 雜的鋁酸鹽發光玻璃及其製備方法,此種稀土銩摻雜的發光玻璃可用於製備紅外 光源和光放大器。
背景技術：
過去二十多年，稀土鉺(Er)離子在雷射器和光放大器中作為光增益媒介起著 非常重要的作用,這是因為￡—+從第一激發態4113/2躍遷到基態4115/2時發射波長為 1.54 pm，恰好是光纖通訊用石英玻璃光纖的最小光吸收窗口。摻鉺光纖放大器 EDFA (Erbium-doped Fiber Amplifier)目前已廣泛應用於光通訊領域，但其只能 利用至U 1530-1625 nm (即國際電聯ITU標準中的C和L帶)範圍的波長資源。相對 於1.4-1.7pm這一光纖通訊低損耗窗口波長而言，國際電聯ITU標準中的帶寬資 源仍有一半以上沒有被開發利用，即S帶(1440-1530 nm)和U帶(1625-1675 nm) 資源。Tm"因其發光帶位於1.4-1.5 [im和1.6-2.1 pm而受到人們關注，使得S帶 (1440-1530 nm)和U帶(1625-1675 nm)的帶寬應用成為可能。目前已有的摻銩光纖 放大器(TDFA)只是利用了其中的S+帶(1450-1480nm)資源，但仍局限於幾十納 米的波長範圍之內。Tm"固有的電子結構特性使其3144 -卞4的躍遷(即1470 nm 光發射)在高聲子能量的基質材料(如石英玻璃 1100cm—"中很容易發生多 聲子淬滅(MPR)。由此，Tm摻雜聲子能量相對更小的基質材料才可能獲得1470 nm光發射，如Tm摻雜的氟化物玻璃( 580 cm—1)已被開發出來。但是這種玻 璃由於其相對較差的化學穩定性和機械性能限制了它的進一步發展。因此，尋找 一種聲子能量相對較小而機械性能性能又好的玻璃材料就成為製備Tm摻雜紅外 光源和光放大器的關鍵。
發明內容
本發明的目的在於提供一種稀土銩摻雜的鋁酸鹽發光玻璃及其製備方法, 其寬譜激發(700-900 nm)、發射光譜在1400-1550 nm禾卩1600-1700 nm兩個波段、製備工藝簡單,可以克服由於相關技術限制和缺點造成的諸多問題。
本發明一種稀土銩摻雜的鋁酸鹽發光玻璃，其組成成分由下述化學式表示 A1203-CaO-B203 -Tm203 。玻璃有效成分引入方式為高純試劑三氧化二鋁、碳酸
鈣、硼酸和氧化銩，其成分的重量配比如下
A120322% 28%; CaC0330% 37%;
H3B0336% 44%; Tm2030.5% 1.5%;
在熔制過程中加入助熔劑，助熔劑佔上述四種高純試劑總重量比為0.3% 3%，較優的為佔上述四種高純試劑總重量的1% 2%。
本發明一種稀土銩摻雜的鋁酸鹽發光玻璃的製備方法，它包括以下步驟
(1) 稱取高純試劑氧化鋁、碳酸鈣、硼酸，其重量百分比分別為22% 28%、 30% 37%、 36% 44%、 0.5% 1.5°/。之間；稱取氧化銩重量與上述三種 玻璃母料總重量之比在0.5% 1.5%之間；再稱取佔上述四種高純試劑總重量 1% 2%重量的助熔劑，將這些組分充分混勻；
(2) 將上述混合物裝入剛玉坩堝，並置於高溫爐中燒結，氣氛為空氣，燒結 溫度為1跳140(TC，燒結時間為2 5小時；
(3) 將燒結物在450 550°C的退火爐中處理，處理時間為30 60分鐘；
(4) 將燒結物在空氣中降到室溫，切割至所需尺度，用70 85。C去離子水 洗滌，120 150。C溫度下烘乾，即得到所需產物。
本發明中，所用的助熔劑可以是SrF2， BaF2， NH4HF2， SrCl2， BaCl2， NH4C1, H3B03中的一種或幾種的混合。
本發明的玻璃可被紅外光激發，激發波長範圍為700 900 nm，發射峰波 長在1400-1550 nm和1600-1700 nm兩個波段。
根據本發明，可以得到平坦連續的1400-1550 nm和1600-1700 nm兩個發 射波段、且發射強度取決於銩濃度及助熔劑種類的玻璃。因此，將本發明的玻璃 應用於紅外光源和光放大器，可用來製備國際電聯ITU標準中的S和U帶光源 和光放大器。
本發明一種稀土摻雜的鋁酸鹽發光玻璃及其製備方法,其優點和達到的功效 是製備的稀土元素銩摻雜的發光玻璃利用銩的特徵譜帶和S帶U帶重疊的特 點，可以實現對這些波段光信號的放大，進而能夠充分利用光通信低損頻率窗口
4S和U帶資源，對於寬帶大容量光通訊網絡的發展有重要意義。而採用本發明的 製備方法利用經過優化的具體製備條件以及後續熱處理條件參數將能獲得具有 優良放光性能的玻璃。因此製備的稀土銩摻雜的發光玻璃可用於製備紅外光源與 光放大器。
圖1為本發明所提供的稀土銩摻雜的鋁酸鹽玻璃在1480 nm發射的激發光 譜圖。
圖2為本發明所提供的氧化銩含量(重量比)為1%的玻璃在794 nm激發 下的發射光譜圖。
圖3為本發明所提供的氧化銩含量(重量比)為1.2M的玻璃在794nm激發 下的發射光譜圖。
具體實施例方式
請參照附圖l、圖2、圖3所示，詳細說明本發明的優選實施方案。
(一)本發明一種稀土銩摻雜的鋁酸鹽發光玻璃，其組成成分及其重量配比如下 實施例1:
稱取高純試劑氧化鋁、碳酸鈣、硼酸和氧化銩，其組成成分及其重量配比如
下
A120324.4%; CaC03 34%;
H3B0340.6%; Tm203 1%;
然後稱取佔上述四種高純試劑總重量1.5%重量的助熔劑，助溶劑為SrF2, BaF2， NH4HF2, SrCl2, BaCl2, NH4C1， H3B03中的一種或幾種。將它們在研缽中研 磨2 3小時，使其充分混勻。 實施例2:
稱取高純試劑氧化鋁、碳酸轉、硼酸和氧化銩，其組成成分及其重量配比如
下
A120325.3%; CaC03 33%;
H3B0340.5%; Tm203 1.2%;然後稱取佔上述四種高純試劑總重量2%重量的助熔劑，助溶劑為SrF2， BaF2， NH4HF2, SrCl2, BaCl2, NH4C1, H3B03中的一種或幾種。將它們在研缽中研磨2 3小時，使其充分混勻。 實施例3:
稱取高純試劑氧化鋁、碳酸鈣、硼酸和氧化銩，其組成成分及其重量配比如
下
A120324.4%; CaC03 34%;
H3B0340.1%; Tm203 1.5%;
然後稱取佔上述四種高純試劑總重量0.5%重量的助熔劑，助溶劑為SrF2， BaF2, NH4HF2, SrCl2, BaCl2, NH4C1, H3B03中的一種或幾種。將它們在研缽中研 磨2 3小時，使其充分混勻。
實施例4:
稱取高純試劑氧化鋁、碳酸鈣、硼酸和氧化銩，其組成成分及其重量配比如
下
A120327.5%; CaC03 35%;
H3B0337%; Tm203 0.5%;
然後稱取佔上述四種高純試劑總重量2.5%重量的助熔劑，助溶劑為SrF2, BaF2， NH4HF2， SrCl2， BaCl2, NH4C1, H3B03中的一種或幾種。將它們在研缽中研 磨2 3小時，使其充分混勻。
實施例5:
稱取高純試劑氧化鋁、碳酸鈣、硼酸和氧化銩，其組成成分及其重量配比如
下
A120324.2%; CaC03 32%;
H3B0343%; Tm203 0.8%;
然後稱取佔上述四種高純試劑總重量2%重量的助熔劑，助溶劑為SrF2,BaF2， NH4HF2, SrCl2， BaCl2, NH4C1, H3B03中的一種或幾種。將它們在研缽中研磨2 3小時，使其充分混勻。(二)本發明一種稀土銩摻雜的鋁酸鹽發光玻璃的製備方法，其實施步驟如下 實施例l:
(1) 為保證準確性，先將所用試劑在烘箱中處理8小時。稱取高純試劑氧化 鋁、碳酸鈣、硼酸，其重量百分比分別為24.4%、 34%、 40.6%;稱取氧化銩重 量與上述三種玻璃母料總重量之比為1%;再稱取佔上述四種高純試劑總重量的 1.5%重量的助熔劑，將上述玻璃成分配比實施例1中混合物在研缽中研磨3小時， 使其充分混勻。；
(2) 將上述混合物裝入剛玉坩堝，並置於高溫爐中燒結，氣氛為空氣，以8 12 。C/min的速率升溫到1300 。C，燒結時間為2小時；
(3) 取出坩堝，將熔融的玻璃液倒入800 。C預熱的模具中，在540。C的退火 爐中處理，處理時間為30分鐘；
(4) 將燒結物在空氣中降到室溫，切割至所需尺度，用70 85。C去離子水 洗滌，120 150。C溫度下烘乾，即得到所需產物。
實施例2:
(1)為保證準確性，先將所用試劑在烘箱中處理8小時。稱取高純試劑氧化 鋁、碳酸鈣、硼酸，其重量百分比分別為25.3%、 33%、 40.5%;稱取氧化銩重 量與上述三種玻璃母料總重量之比為1.2%;再稱取佔上述四種高純試劑總重量 的2%重量的助熔劑，將上述玻璃成分配比實施例2中混合物在研缽中研磨3小 時，使其充分混勻。；
(2) 將上述混合物裝入剛玉坩堝，並置於高溫爐中燒結，氣氛為空氣，以8 12 。C/min的速率升溫到1100-1400 °C，燒熔2 5小時;
(3) 取出坩堝，將熔融的玻璃液倒入模具中，放入已升溫至450 550。C的 退火爐中，退火30 60分鐘，再緩慢冷卻至室溫；
(4) 將燒結物在空氣中降到室溫，切割至所需尺度，用70 85。C去離子水 洗滌，120 150。C溫度下烘乾，即得到所需產物。
實施例3:
(1)為保證準確性，先將所用試劑在烘箱中處理8小時。稱取高純試劑氧化 鋁、碳酸鈣、硼酸，其重量百分比分別為24.4%、 34%、 40.1%;稱取氧化銩重 量與上述三種玻璃母料總重量之比為1.5%;再稱取佔上述四種高純試劑總重量的0.5%重量的助熔劑，將上述玻璃成分配比實施例3中混合物在研缽中研磨3 小時，使其充分混勻。；
(2) 將上述混合物裝入剛玉坩堝，並置於高溫爐中燒結，氣氛為空氣，以8 12 °C/min的速率升溫到1350 。C，燒結時間為2小時；
(3) 取出坩堝，將熔融的玻璃液倒入800 。C預熱的模具中，在540。C的退火 爐中處理，處理時間為30分鐘；
(4) 將燒結物在空氣中降到室溫，切割至所需尺度，用70 85。C去離子水 洗滌，120 15(TC溫度下烘乾，即得到所需產物。
實施例4:
(1) 為保證準確性，先將所用試劑在烘箱中處理8小時。稱取高純試劑氧化 鋁、碳酸鈣、硼酸，其重量百分比分別為27.5%、 35%、 37%;稱取氧化銩重量 與上述三種玻璃母料總重量之比為0.5%;再稱取佔上述四種高純試劑總重量的 2.5%重量的助熔劑，將上述玻璃成分配比實施例4中混合物在研缽中研磨3小時， 使其充分混勻。；
(2) 將上述混合物裝入剛玉坩堝，並置於高溫爐中燒結，氣氛為空氣，以8 12 。C/min的速率升溫到1400 。C，燒結時間為2小時;
(3) 取出坩堝，將熔融的玻璃液倒入800 。C預熱的模具中，在540。C的退火 爐中處理，處理時間為30分鐘；
(4) 將燒結物在空氣中降到室溫，切割至所需尺度，用70 85。C去離子水 洗滌，120 150。C溫度下烘乾，即得到所需產物。
實施例5:
(1) 為保證準確性，先將所用試劑在烘箱中處理8小時。稱取高純試劑氧化 鋁、碳酸鈣、硼酸，其重量百分比分別為24.2%、 32%、 43%;稱取氧化銩重量 與上述三種玻璃母料總重量之比為0.8%;再稱取佔上述四種高純試劑總重量的 2%重量的助熔劑，將上述玻璃成分配比實施例5中混合物在研缽中研磨3小時， 使其充分混勻。；
(2) 將上述混合物裝入剛玉坩堝，並置於高溫爐中燒結，氣氛為空氣，以8 12 。C/min的速率升溫到1300 。C，燒結時間為2小時；
(3) 取出坩堝，將熔融的玻璃液倒入800 。C預熱的模具中，在540。C的退火爐中處理，處理時間為30分鐘；
(4)將燒結物在空氣中降到室溫，切割至所需尺度，用70 85。C去離子水 洗滌，120 150。C溫度下烘乾，即得到所需產物。
使用上述方法製備的氧化銩含量(重量比)為1。/。的玻璃在1480nm發射的 激發光譜如圖1所示。從圖中可以看出，該玻璃在700 900 nm範圍內均可 以被有效激發，具有很寬的激發光譜，其中794nm有最強的激發峰。說明該玻 璃可用普通商業化的雷射光源進行激發。
上述實施例1玻璃在1.4 1.55 pm波長範圍的光致發光譜示於圖2 。其 處於1460 nm的發光峰半峰寬度為123 nm覆蓋了國際電聯ITU標準中S帶 (1440-1530 nm)的波長範圍，說明這種玻璃可以用於製造S帶光纖或者光波導放 大器。
上述實施例2玻璃在1.3 1.8 pm波長範圍內的光致發光譜示於圖3。其 兩個發光帶的半高寬分別為132和99 nm，分別覆蓋了國際電聯ITU標準中S 帶(1440-1530nm)和U帶(1625-1675 nm)全部的波長範圍，使得這種材料可應用 於製造S帶和U帶的光源和光放大器。
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權利要求
1. 一種稀土銩摻雜的鋁酸鹽發光玻璃，其特徵在於它是由三氧化二鋁、碳酸鈣、硼酸和氧化銩以及助熔劑組成，其組成成分的重量配比如下Al2O3 22％～28％； CaCO3 30％～37％；H3BO3 36％～44％； Tm2O3 0.5％～1.5％；在熔制過程中加入助熔劑，助熔劑佔上述四種高純試劑總重量比為0.3％～3％。
2. —種稀土銩摻雜的鋁酸鹽發光玻璃的製備方法，其特徵在於它包括以下步驟(1) 稱取高純試劑氧化鋁、碳酸鈣、硼酸，其重量百分比分別為22% 28%、 30% 37%、 36% 44%、 0.5% 1.5%之間；稱取氧化銩重量與上述三種 玻璃母料總重量之比在0.5% 1.5%之間；再稱取佔上述四種高純試劑總重量 1% 2%重量的助熔劑，將這些組分充分混勻；(2) 將上述混合物裝入剛玉坩堝，並置於高溫爐中燒結，氣氛為空氣，燒結 溫度為1100-1400 。C，燒結時間為2 5小時；(3) 將燒結物在450 550°C的退火爐中處理，處理時間為30 60分鐘；(4) 將燒結物在空氣中降到室溫，切割至所需尺度，用70 85。C去離子水 洗滌，120 150。C溫度下烘乾，即得到所需產物。
3. 根據權利要求1所述的稀土銩摻雜的鋁酸鹽發光玻璃，其特徵在於所 用的助熔劑可以是SrF2, BaF2， NH4HF2, SrCl2, BaCl2, NH4C1, H3B03中的一種或幾 種的混合。
全文摘要
一種稀土銩摻雜的鋁酸鹽發光玻璃，其組成成分的重量配比如下Al2O322％～28％；CaCO3 30％～37％；H3BO3 36％～44％；Tm2O3 0.5％～1.5％；其製備方法是(1)稱取高純試劑氧化鋁、碳酸鈣、硼酸，其重量百分比分別為22％～28％、30％～37％、36％～44％、0.5％～1.5％之間；稱取氧化銩重量與上述三種玻璃母料總重量之比在0.5％～1.5％之間；再稱取佔上述四種高純試劑總重量1％～2％重量的助熔劑，將這些組分充分混勻；(2)將上述混合物裝入剛玉坩堝，並置於高溫爐中燒結，氣氛為空氣，燒結溫度為1100-1400℃，燒結時間為2～5小時；(3)將燒結物在450～550℃的退火爐中處理，處理時間為30～60分鐘；(4)將燒結物在空氣中降到室溫，切割至所需尺度，用70～85℃去離子水洗滌，120～150℃溫度下烘乾，即得到所需產物。
文檔編號C03C4/00GK101531459SQ20091008247
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月20日 優先權日2009年4月20日
發明者路 燕, 肖志松 申請人:北京航空航天大學