浅析激光玻璃

浅析激光玻璃130111102吴东阳摘要：激光玻璃是一种以玻璃为基质的固体激光材料。它广泛应用于各类型固体激光光器中，并成为高功率和高能量激光器的主要激光材料，在工业、农业、自然科学和军事方面得到了广泛的应用。关键词：激光玻璃；硅酸盐激光玻璃；性质特点；应用前景正文：前言：激光玻璃是一种以玻璃为基质的固体激光材料,由基质玻璃和激活离子两部分组成。它广泛应用于各类型固体激光光器中,并成为高功率和高能量激光器的主要激光材料。激光玻璃与其它工作物质相比，有一些独特的优点：易制备，容易获得高度透明、光学均匀、大尺寸的激光棒或圆盘；利用热成型及冷加工工艺，可制成不同形状，以适应激光器需要。本文就激光玻璃的种类、机理、制备方法及应用予以简单介绍。主要内容：激光玻璃的概念：在固体激光器中，能产生激光的晶体或玻璃被称为激光工作物质。激光工作物质由基质和激活离子两部分组成，基质材料为激活离子提供了一个合适的存在与工作环境，而由激活离子完成激光产生过程。激光玻璃是以玻璃为基础掺人一定的激活离子制成的激光工作物质。在玻璃中已实现激光的激活离子主要是稀土离子：如Yb3+、Gda+、Nd3+Era+、Ho”、Tm3+等。掺钕玻璃由于能在室温中产生激光，温度猝灭效应小，光泵吸收效率高和发光的量子效率高，是目前最主要的激光玻璃。激光玻璃是发展最快、应用范围最广的固体激光材料之一。激光玻璃由基质玻璃和激活离子两部分组成。激光玻璃各种物理化学性质主要由基质玻璃决定，而它的光谱性质则主要由激活离子决定。但是基质玻璃与激活离子彼此间互相作用，所以激活离子对激光玻璃的物理化学性质有一定的影响，而基质玻璃对它的光谱性质的影响有时还是相当重要的。激光玻璃的种类：现在的激光玻璃主要有硅酸盐激光玻璃、磷酸盐激光玻璃、氟磷酸盐和氟化物激光玻璃、硅磷酸盐激光玻璃、高钕浓度激光玻璃等若干种，我们主要介绍一下硅酸盐激光玻璃和磷酸盐、氟化物激光玻璃以及高钕浓度激光玻璃这三种。硅酸盐激光玻璃：最早的激光玻璃都属于这类，如我国N03、N10，美国的NS0835，日本的LCG13，英国的LN6等。这些玻璃大致成分（mol%）基本为：SiO260—75，Na2O30—15，K2O0—5，CaO+BaO10—15，Al2O30—3。它们的主要优点是熔制工艺成熟、光学质量好、物化性能稳定、激光效率高。磷酸盐激光玻璃：六十年代初在广泛探索基质玻璃系统时，在磷酸盐玻璃中产生了激光，但由于磷酸盐玻璃物化性能性能较差，不易制备，当时没有深入研究。到了七十年代，随着激光核聚变技术的发展，具有受激发截面大、非线性折射率低、热光系数小等优点的磷酸盐玻璃显示了其独特的优点，被选为激光核聚变装置的激光玻璃。日本、美国和我国先后定型了适合于不同要求的磷酸盐激光玻璃。但与此同时，此类玻璃的缺点是化学稳定性差、玻璃表面易潮解。高钕浓度激光玻璃：为了满足微型固体激光器发展的需要，研制了玻璃态的高钕浓度激光玻璃材料（如NdP5O14、LiNdP4O12、KNdP4O12等），并在小型脉冲激光器中得到了应用。激光玻璃由基质玻璃和激活离子两部分组成。激光玻璃各种物理性质和化学性质主要由基质玻璃决定，而它的光谱性质则主要由激活离子决定。激光玻璃的特点：激光玻璃发展迅速的主要原因是它本身性质和制造工艺方面有晶体材料不具备的优点：基质玻璃的形成范围大，加入不同种类和数量的激活离子，能获得具有不同特点的激光玻璃;易于制备成具有要求性能、尺寸和形状的激光玻璃;玻璃近程有序和远程无序的结构特点，使其通过光学玻璃工艺能够获得高透明度、各向同性、光学均匀、大尺寸的制品;利用热成形及冷加工工艺，可制成不同形状的激光玻璃：既可拉成直径小至几微米的纤维，又可制成几厘米直径和几米长的棒以及几十厘米厚的玻璃板;成本较低，原料纯度要求较低，制备工艺比较容易实现，制造周期较短。激光玻璃的性质：激光玻璃由基础玻璃掺人激活离子构成。它的物理化学性质主要由基础玻璃决定，光谱性质主要由激活离子决定。基础玻璃与激活离子相互作用、相互影响，决定激光玻璃的各种性质。激光玻璃作为固体激光器中的工作介质，需具备下述性质：良好的透明度，基础玻璃应尽量不吸收激发激光的波长，使激发能量充分地被激活离子吸收，转化为激光;良好的光学均匀性，使激光激发有低阈值，高效率;良好的热稳定性，保证非辐射跃迁产生的热量不至于破坏玻璃的结构与性质;激活离子的发光机构中必须有亚稳态，并有较长的寿命，使粒子数易于积累，达到反转;激光玻璃有适当的吸收光谱性质，在激发源的辐射光谱内有宽而多的吸收带和较高的吸收系数。激光玻璃的基本要求：（1）激活离子的发光机构中必需有亚稳态，形成三能级或四能纵机构；并要求亚稳态有较长寿命，使粒子数易于积累达到反转。为使激光玻璃有较高的效率和低的振荡值，从能级机构来讲，四能级优于三能级。而当终态能级与基态能级之间能量间隔大于1000厘米-1时，在室温下终态能级几乎是空因此，在室温下泵浦也易于产生粒子数反转。目前已在玻璃中产生激光的各种激活离子，以Nd3+离子最佳，其为四能级机构，激光跃迁的终态与基态能级的间距约为1950厘米。（2）激光玻璃必需有各种适串的光谱性质。其中包括吸收光谱性质，要求在激发光源的辐射光渐内有宽而多的吸收带，高的吸收系数，吸收光谱带与光源的辐射带的峰值尽可能重迭，这样有利于充分利用激发光源的能量；荧光光谱性质，一般要求它的荧光谱带少而窄，这样输出能量不致分散；同时为使吸收的激发光能量尽可能多地转化为激光能量，还要求荧光的量子效率尽可能高，内部的能量损耗尽可能小。（3）激光基质玻璃必需有良好的透明度，尤其是对激光波长的吸收应尽可能低。基质玻璃的透明度高，就能使光泵的能量充分地被激活离子所吸收，转化为激光。透明度降低就增加了基质对光泵能量的吸收，而使激光玻璃温度升高，这会带来一系列缺点。目前光泵的辐射谱带大部分位于可见光及近紫外和红外区域，所以必须选择在该区域透明的材料。（4）激光玻璃必需有良好的光学均匀性。激光玻璃的光学不均匀性使光线通过玻璃后波面变形和产生程差，促使其振荡阈值升良效率降低，发散角增加。（5）激光玻璃必需有良好的热光稳定件。激光器工作时由于激活离子的非辐射跃迁损失和基质玻璃的紫外、红外吸收光泵的一部分光能转化为使玻璃温度升高的热能。同时，由于吸热和冷却条件的不同在棒的径向就会出现温度梯度。这些因素除导致激光玻璃的光学均匀性降低而影响激光性能外，甚至会使激光被璃由于热机械性能不好而损坏。（6）激光玻璃必需有良好的物理化学性能。这包括失透倾向小，化学稳定性高。有一定的机械强度和良好的光照稳定性和热导性等。失透倾向高的玻璃使玻璃制造，尤其是大块玻璃的生产工艺带来困难，并难于得到光学均匀性高的被璃。激光玻璃的制备方法：硅酸盐激光玻璃：目前制备激光玻璃主要采用熔体冷却成型方法，包括以铂金坩埚、陶瓷坩埚为熔器的间隙式熔体冷却成形方法及铂金池炉为熔器的连续熔融，进行高温加热形成均匀无气泡并符合成型要求的玻璃。氟磷酸盐激光玻璃：氟磷酸盐的化学组成以氟化物为主，再加入一定量的磷酸盐。氟化物玻璃有氟化铍玻璃、氟锆酸盐玻璃和氟铝酸盐玻璃等。这类玻璃一般用铂坩埚熔制，因易析晶和组分在熔制过程中亦挥发，引起化学成分不均匀，产生条纹，熔制工艺较困难，需采用特殊的工艺制备。目前，这类玻璃的抗激光破坏能力还不够强，破坏阀值大约只有硅酸盐玻璃的一半左右。激光玻璃的制造工艺：激光玻璃制造工艺要注意三个方面的问题。第一，原料纯度的要求。原料应尽可能少含或不含铁、铜、铅、钴等过渡金属元素，因为它们在紫外和红外都有强的吸收，使玻璃的透明度下降，增加玻璃基质对激发能量的吸收，使激光玻璃温度升高，影响玻璃的激光性能。第二，耐火材料的要求。耐火材料对所熔化的激光玻璃有良好的耐侵蚀性，如硅酸盐激光玻璃用莫来石或高岭质坩埚熔制，磷酸盐激光玻璃用透明石英或铂坩埚熔制。采用优化的温度和气氛制度控制耐火材料的熔蚀，保证玻璃的质量和光学玻璃性能。第三，工艺过程的要求。注意消除玻璃中的羟基，激光玻璃中的羟基与Nd3+相互作用，产生Nd3+激发态能量向羟基转移，使Nd3+荧光寿命变短，量子效率下降。羟基在红外3.5肚m处有强烈吸收，该波长的吸收系数可以用来衡量羟基的含量。消除羟基的工艺方法包括：通人干燥气体、加氟化物、气氛法等。通人于燥气体消除羟基属于物理法，这种方法在气体与玻璃料形成平衡之后不再起作用，所以除羟基的量是有限的。另外两种方法属于化学法，通过化学反应使羟基生成HF或HCl而排出。如在硅酸盐玻璃中加入氟化物和在磷酸盐玻璃中通入CCl4气体控制气氛。激光玻璃的应用:1960年发现激光，1961年激光玻璃问世。激光玻璃具有光学质量高、体积大、发射谱线宽、抗激光破坏能力强、易加工、价格便宜等优点，作为固体激光器材料可获得高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的激光输出。从而，在工业、农业、自然科学和军事方面得到了广泛的应用。激光玻璃已被应用于各类激光器中，并成为高功率和高能量激光器的主要激光材料。如含钕玻璃光导纤维激光谐振器、含铒玻璃光纤放大器等。无铂夹杂的含钕磷酸盐玻璃制品的大型激光器已用于热核聚变的研究中，用来启动核聚变反应。激光诱发核聚变与磁控聚变相结合，已成为产生可控热核能的主要途径。随着科学技术的不断进步，激光玻璃的应用会越来越广泛。光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。利用激光的定向性好和高亮度，可广泛应用于医疗保健、军事、鉴伪、安防、舞台（红、绿、蓝）灯光、各种电动工具、测量类、仪器、设备、水平尺、定位仪、测距仪、测温仪、激光标线仪（投线仪）、各种板材切割成型机、石材机械、木工机械、金属锯床、包装机械的对刀、放线、服装类、电子工量具、鼠标、Ｕ盘、摄像机、手机、投影教学翻页笔、激光笔、工艺品、室内外装饰、手电筒、礼品类、玩具类等产品中，方便快捷、直观实用、易于安装、稳定可靠，能较大幅度的提高工作效率。结束语：自1961年激光玻璃发明以来,激光玻璃无论品种还是在制备工艺方面都得到了很大的发展,激光玻璃不仅以大块体的形式在惯性约束聚变装置中发挥了核心作用,还将以光纤的形式在通信和测量等领域得到越来越广的应用。相信随着掺铋离子石英光纤的出现,激光玻璃的研究和发展将进入一个新纪元。参考文献：【1】激光玻璃现状及发展前景（百度文库专业资料工程科技材料科学）【2】激光玻璃与普通光学玻璃的区别（百度文库专业资料自然科学物理）【3】激光玻璃的特点及应用范围（OFweek激光网激光组件与材料）【4】激光玻璃简介（OFweek激光网激光组件与材料）【5】浅析激光玻璃特点性质及应用（OFweek激光网激光组件与材料）