[发明专利]一种硅锗酸盐玻璃及其制备方法

说明书

本发明涉及发光材料领域。一种硅锗酸盐玻璃，在SiO₂‑GeO₂‑BaO‑Ga₂O₃玻璃体系中加入氟化物、卤化物及氧化物中的一种或多种。该硅锗酸盐玻璃具有优良的稳定性能，较好的红外透过性能，以及较低的羟基系数。

技术领域

本发明涉及发光材料领域，尤其是一种硅锗酸盐玻璃。

技术背景

与传统的多组分石英玻璃相比，重金属氧化物玻璃(硅锗酸盐玻璃)具有在紫外和中红外波段透光范围宽，较低的声子能量及较高的稀土离子掺杂浓度。与非氧化物玻璃(氟化物玻璃及硫系玻璃)相比，硅锗酸盐玻璃具有较好的机械、物化及抗析晶性能。由于硅锗玻璃这些独特的性能，与传统的多组分石英或者非氧化物玻璃相比，其在某些领域具有传统材料无可比拟的优势。

近年来，2～3μm激光材料受到国内外的高度重视。3μm波段激光位于大气的2个传输窗口(1～3μm，3～5μm)内，并且覆盖了很多重要的分子谱线。因此，在遥感，测距，环境检测，生物工程和医疗等领域有着广泛的应用。传统的石英玻璃光纤截止波长在2.3μm左右，因此无法满足中红外波段的需求。对于目前研究较多的中红外发光材料，氟化物具有重要的地位，掺入稀土离子的ZBLAN(ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF)氟化物玻璃得到了深入的研究，且在中红外光纤激光材料中已经得到了实际的应用。2010年，Tokita报道了在Er³⁺掺杂的ZBLAN光纤中获得了可调谐范围在2770-2880nm，输出功率在8-11W的激光。2011年，加拿大的学者Dominic Faucher在Er³⁺掺杂的单模光纤中获得了2.825μm波段的最大输出功率为20.6W的激光，斜率效率为35.4％。但是，氟化物玻璃存在着以下几个缺点：玻璃的转变温度较低，耐水性和机械强度较低。这些缺点限制了氟化物光纤ZBLAN在中红外激光材料发面进一步应用，如功率的进一步提高和功率的稳定输出。硅酸盐玻璃通过网络修饰体破坏了石英玻璃稳定的SiO₄四面体结构，因此能够溶解更高浓度的稀土离子。高的稀土氧化物溶解度提升了能量交叉驰豫效率和量子效率。硅酸盐玻璃的主要的网络形成物是SiO₂与石英光纤一样，和石英光纤有更好的兼容性，同时成本低廉。锗酸盐玻璃具有较低的声子能量(约880cm^-1)、较宽的红外透过范围和良好的玻璃形成能力，在红外窗口材料方面具有广阔的应用前景。相对于氟化物玻璃、硫化物玻璃、碲酸盐玻璃材料，锗酸盐玻璃具有制备简单、化学稳定性好、抗热震性能优良、红外波段透过率高等优点，但锗酸盐玻璃光纤存在着显著的光子暗化现象，且原料成本昂贵。硅锗酸盐玻璃则结合了硅酸盐玻璃及锗酸盐玻璃的优点是3μm中红外激光材料的理想基质选择。硅锗酸盐玻璃直到20世纪80年代初期才逐渐被人们重视并显示出应用前景，SiO₂-GeO₂-BaO-Ga₂O₃为代表，它的一些性能特征很早就有报道：璃转变温度高，中红外透光范围宽，化学稳定性和机械性能好的优点，其化学稳定性比ZBLAN氟化物玻璃高几个数量级，有希望代替氟化物ZBLAN红外发光材料。但是目前研究的SiO₂-GeO₂-BaO-Ga₂O₃体系在2.9μm处存在较大的羟基吸收峰。这种杂质有多重来源，如原料中的残存氧，某组分的吸潮，制备环境过程中的环境污染等。其吸收波长正处在3μm附近，这将影响其在中红外发光材料方面的应用。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种低羟基含量的硅锗酸盐玻璃；本发明的另一个目的提供上述低羟基含量的硅锗酸盐玻璃的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种硅锗酸盐玻璃，在SiO₂-GeO₂-BaO-Ga₂O₃玻璃体系中加入氟化物、卤化物及氧化物。