稀土掺杂硼硅酸盐玻璃的532nm激光防护特性

　1　引　言

　　在大功率激光器中,532 nm波长的激光器有着普遍的应用,因而对于532 nm强激光的防护材料的研究也自然非常重要。利用垂直正透射式非线性光学原理的方法是非常简单和实用的,当然所用的激光防护材料必须具有相应的光学三阶非线性吸收系数(NLAC,nonlinear absorption coefficient)β,以便在强度即将超过正常工作范围的强光作用下,随着入射光强度的增加,材料开始大量吸收额外的激光能量,使其透过的光强基本保持不变或减小,从而保护了需要保护的目标。如果激光防护材料非常廉价,那么即使起保护作用时其已经不可恢复地损坏,也是非常值得的[1]

　　由于CaO-SiO2-B2O3-Al2O3-Na2O硼硅酸盐玻璃具有熔点低、结构简单和可见光透明性好等优点,所以研究人员使用其作基质,掺杂稀土元素后煅烧制备激光玻璃,然后研究它的发光及荧光等相关光学性能[2~5]。原则上,在任何激光玻璃中掺入任何种类的稀土元素,都会对形成的玻璃的三阶非线性特性参数或多或少地产生影响,自然包括β[6,7]。据我们所知,目前在这种基质中掺杂的稀土元素种类还很少,且用于强光非线性光学特性的研究鲜有报道,而将其用于对532 nm波长激光的防护有着长远的应用价值。本文采用高温熔融法制备了以CaO-SiO2-B2O3-Al2O3-Na2O为基质,分别单一掺杂15种稀土元素的硼硅酸盐激光玻璃,以及未掺杂的普通基质玻璃(matrixglass),然后对它们进行了透射光谱测试,利用调Q纳秒Nd:YAG激光器进行了开孔Z扫描和光限幅等实验,获得硼硅酸盐玻璃在532 nm处的激光防护性能参数。

　　2　样品制备

　　样品基本组分(浓度为mol%)为43CaO-20SiO2-23H2BO3-10Al2O3-4Na2O,所有的原料为分析纯,纯度大于99.6%。待掺杂的15种稀土氧化物分别为(按元素周期表中的顺序,无Sc和Pm氧化物)Y2O3、La2O3、Ce2O3、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3和Lu2O3,纯度均为99.9%以上,掺杂浓度均为1.5 mol%。按对应的质量百分比精确称取160 g基质原料,在玛瑙研钵中充分研磨混合均匀后精确分成16份,其中15份分别掺入质量对应1.5 mol%浓度的稀土氧化物。将每一份再搅拌均匀后分别放入50 ml的刚玉坩埚中,置入(3个一组)800℃的由硅钼棒加热的电炉中1 h,然后以5℃/min的速率升温至1200℃,再在此温度下熔融2 h。取出后倒在预热300℃的钢板模具里,迅速移入加热到600℃的马弗炉中退火2 h,然后缓慢降至室温后取出。将获得的所有玻璃经研磨、抛光和切割,得到30 mm×20 mm×2 mm的激光玻璃样品16枚

　　3　实验结果与分析

　　3.1　透射吸收光谱

　　分别测试了16枚样品的透射吸收光谱,除3种激光玻璃(Nd2O3,Er2O3和Ho2O3掺杂激光玻璃,称其为I类玻璃)在532 nm附近有明显的吸收结构外,基质玻璃和其它12种掺杂激光玻璃(称其为II类玻璃)均没有明显的吸收结构。图1给出了I类玻璃的透射吸收光谱,作为对比,只额外给出了基质玻璃的透射吸收光谱。