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玻璃不简单!玩转新型稀土玻璃

导读: 稀土新型功能玻璃已经与我们的生活息息相关,并将随着技术的进步,开发出越来越多的新型功能玻璃。见新型稀土功能玻璃及其应用领域。


  稀土光学玻璃

  稀土在光学玻璃中的应用起始于19世纪末,主要是用CeO2作玻璃的脱色剂,上世纪二十年代后期,摩莱(Morey)开始研究稀土元素氧化物的硼酸盐玻璃,以后各国都进行了镧系硼酸盐光学玻璃的研究。1925年美国莫里(G.N.Morey)开始研究稀土硼酸盐玻璃,1938年美国柯达公司首次制造出具有高折射率、低色散特性的含镧光学玻璃,从而扩大了光学玻璃的光学常数范围。光学玻璃组成中引入较多稀土氧化物的稀土玻璃具有高折射率,低色散的特点,是制造大孔径、宽视场摄影物镜、长焦距、变焦距镜头以及高倍显微镜等不可缺少的光学材料,它对于改善光学仪器特别是照相机物镜的成像质量和简化设计有重要意义,因而在国防军工用光系统的设计中成为关键材料。

  目前在世界范围内采用稀土金属氧化物制得的光学玻璃多达300多种,它们被广泛地用在航天、航海、军工、电视电影、天文、地质和照相等方面。国外有许多国家都能够生产稀土光学玻璃,主要生产国家有日本、美国、德国、俄罗斯、英国、法国等。近20年来,我国对稀土光学玻璃的研究已经取得了不少成果,在硅酸盐系统、硼酸盐系统、磷酸盐系统、卤化物系统等方面都取得了很大进展。至今中国镧系光学玻璃的生产能力已超过2500吨/年,居世界首位,标志着我国稀土光学玻璃的先进水平。

  稀土激光玻璃

  在稀土激光玻璃的制造中,Nd3-离子是最普遍,采用的谐振腔工作物质之一。主要是由于Nd3-离子能引起吸收和发光,它是谐振腔的发光中心,4f-电子在Nd3-离子中某种程度上的隔离作用,是玻璃状结晶格子对辐射带的高度与宽度产生影响的原因,也是对能级混合以能级局部分裂产生影视的原因。

  自1961年首次使用掺钕的硅酸盐玻璃获得脉冲激光,开辟了稀土玻璃激光材料与器件的研究。在玻璃中目前已知可以产生激光的稀土离子有Nd3+、Er3+、Ho3+、Tm3+、Yb3+等。由于稀土玻璃激光材料具有易于制备,利用热成型和冷加工可制备不同大小尺寸和形状的玻璃。玻璃组分可在很大的范围内变化,从而可以改变玻璃对激光长的折射率,并可调节折射率的温度系数、热光系数和非线性折射率等光学性质,获得光学质量和光学均匀性好的激光材料。1963年长春光学精密机械研究所成功地研制出掺钕激光玻璃,并研制出钕玻璃激光器。1964年,开发出的硅酸盐钕玻璃和磷酸盐钕玻璃,高增益、高量子效率、低非线性折射率、低损耗系数,机械性质优异,并具有很强的冲击能力。这些玻璃已成功地应用于我ICF大型激光装置上,成为除美国、日本、德国和俄罗斯等国之外能制备用于ICF激光钕玻璃的国家。

  稀土光纤玻璃

  由稀土光纤玻璃制成的光导纤维,在光通讯中发挥重要作用。稀土光纤具有传光效率高、集光能力强、信息传递量大、速度快、分辨率高、抗干扰、耐腐蚀、可弯曲、保密性好、资源丰富、成本低等一系列优点。

  自1997年NTT公司首先提出掺Er3+碲酸盐光纤可用于宽带放大器以来,碲酸盐玻璃光纤的实用化进程相当快。NTT公司在1997年报道的掺铒碲酸盐光纤的损耗为3dB/m,1998年减小到0.5dB/m,1999年又减小到0.05dB/m,现在损耗为0.02dB/m。之后,有关掺稀土碲酸盐玻璃光纤的专利申请急剧增加,申请单位涉及日本NTT公司、美国Corning公司、Lucent公司及Bell实验室等,其中的一个重要原因在于大家都认识到碲酸盐玻璃光纤在光纤通信和增益带宽方面的独特优势。

  2000年日本Asahi公司和日本京都大学首先提出铋酸盐玻璃可以用作光纤放大器材料,一年后Asahi公司研制出掺Er3+铋酸盐玻璃光纤,他们在研究报告中指出,掺Er3+铋酸盐玻璃光纤能在C+L波段同时工作,另外,铋酸盐玻璃光纤在强度、防潮和抗裂三个方面明显优于碲酸盐和氟化物光纤,且制备成本低。但是有关掺Er3+铋酸盐玻璃光纤构成的EDFA在增益平坦、噪声指数方面的研究还有待进一步深入。

  基于氟化物玻璃的低声子能量以及氟化物光纤成熟的制造技术,掺Tm3+氟化物光纤目前广泛应用于TDFA或GS-TDFA。这种光纤主要以ZBLAN、ZBLAL、ZBAN等玻璃系统为主。掺Er3+磷酸盐玻璃光纤与碲酸盐、铋酸盐、氟化物玻璃光纤相比,带宽并不占优势,但磷酸盐玻璃对Er3+离子的溶解度很高,单位长度增益极高。美国Kigre公司利用自己在磷酸盐激光钕玻璃生产工艺的基础,研制出掺Er3+磷酸盐玻璃光纤。在OFC’2001会议上报道了5.1cm光纤长度下获得15.5dB增益的结果,单位长度增益约为3.0dB/cm,这个数值近期又提高到了5.4dB/cm。

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