[发明专利]一种具有宽带拉曼增益作用的玻璃材料及其制备及应用

说明书

技术领域

本发明涉及宽带拉曼增益材料，特别涉及一种拉曼增益峰的中心位置位于900cm^-1附近宽带拉曼光放大用玻璃材料(即光子玻璃)及其制备方法与应用。

背景技术

随着激光技术的发展，激光器已在光通信、军事、科研等领域发挥着不可替代的作用。未来，激光器将会朝着大功率输出、低成本化、小型化的方向发展。

波长处于589nm附近的黄色激光在生物医疗、天文观测等领域具有重要作用。该波段的激光器可用于治疗包括毛细血管扩张在内的一系列皮肤疾病；同时，这也是天文观测领域中激光导星系统(Laser Guide Stars)不可或缺的组成部分。目前，应用最为广泛的589nm激光输出的激光器主要包括：基于有机染料的染料激光器和基于拉曼晶体的拉曼固态激光器。

染料激光器输出功率较小，机器体积大，需要水循环冷却系统，且维护成本高，维护周期长，已开始逐渐被市场淘汰。基于拉曼晶体的拉曼固态激光器采用的增益介质为钨酸盐(如：钨酸钙、钨酸锶等)单晶，该系列的晶体在频移为900cm^-1附近有较高的拉曼增益峰，利用该波段的增益效果配合1064nm的泵浦光和倍频技术，可以实现589nm激光的输出。该激光器可实现较大功率的激光输出，但拉曼晶体生产成本高，生产周期长，不利于大规模的工业化生产。

目前在市场上仍未存在一种在拉曼频移为900cm^-1位置具有高增益的，可替代现有的高成本拉曼晶体的非晶态玻璃材料。

发明内容

为了克服现有技术上述缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种拉曼增益玻璃材料即具有宽带拉曼增益作用的玻璃材料。本发明采用硅酸盐基体，保持Ti元素多面体在玻璃基体中以五配位形式存在，使该体系的材料在频移为900cm^-1处具有较高的拉曼增益效果；本发明的玻璃材料为非晶态材料。且相比于晶态材料，本发明具有更宽的增益带宽，增益带宽约为100cm^-1。本发明的增益介质生产成本低

本发明的另一个目的在于提供上述拉曼增益玻璃材料的制备方法。本发明采用气氛控制的方法对Ti离子进行价态调控，进一步保障Ti离子多面体在玻璃中以五配位的形式存在；采用冷冻的铜板对材料进行压制，有效地防止了材料的析晶失透。

本发明的再一目的在于提供上述具有宽带拉曼增益作用的玻璃材料的应用。所述玻璃材料用作拉曼增益材料，用于拉曼固态激光器和/或拉曼光纤激光器。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种具有宽带拉曼增益作用的玻璃材料，由原料KNO₃、SiO₂、TiO₂制备而成，其中KNO₃：SiO₂：TiO₂的摩尔比为(40～46)：(16～44)：(16～44)，优选为(40～46)：(16～44)：(16～38)。

本发明通过组分的设计，对拉曼活性中心进行配位形式的调控。本发明以Ti离子为其拉曼活性中心，采用硅酸盐作为玻璃的基体。在该体系中Ti离子在玻璃基体中以五配位的形式稳定存在，其对应的拉曼峰位置位于900cm^-1附近(本发明制备的材料的拉曼峰位置位于890～893cm^-1)。体系中单一的配位形式使其具有相当的增益强度，计算峰值增益强度至少为普通石英玻璃的16倍以上。且本发明为非晶态体系，相比于拉曼晶体材料具有更宽的增益带宽。本发明的增益带宽约为100cm^-1。

所述具有宽带拉曼增益作用的玻璃材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将原料硝酸钾、二氧化硅和二氧化钛进行研磨，得到研磨后的混合物；

(2)在氧气的氛围下，将研磨后的混合物于1375～1650℃进行熔化，然后浇注于模具中，成型，得到具有宽带拉曼增益作用的玻璃材料；所述模具需经过冷冻处理。

所述冷冻处理的温度为-5℃～15℃，所述冷冻处理的时间为15min-30min。

所述研磨的时间为30～60分钟；所述熔化的时间为0.5～10小时。

所述模具可以为任意形状，需保证成型时，模具经过了冷冻处理。