掺杂Yb3+的重金属氧化物玻璃及其制备方法 【技术领域】
本发明属激光束放大材料技术领域，具体而言，涉及一种掺杂稀土离子Yb3+的重金属氧化物玻璃及其制备方法。该玻璃具有很高的增益系数和良好的光学性能，可在高能核聚变模拟实验的超强激光系统中实现其物理指标、降低系统成本、提高系统效率。
技术背景
高能核聚变模拟实验的超强激光系统不仅是未来人类新能源的希望，在国防上也有极其重要的地位，特别是全世界全面禁止核实验的今天，没有高能核聚变模拟实验的超强激光系统，就不可能使国防威慑力量得到保证和延续，其重要程度不言而喻。在惯性核聚变强激光系统中最重要的部分之一就是激光束放大材料。激光系统的分析研究表明：激光束放大材料的增益提高是实现系统物理指标、降低系统成本和提高系统效率的关键。所以高增益材料的研制极其重要，意义深远。
高增益固体激光材料的高效益增益特性由掺杂离子和基质之间的相互作用所决定。评判该类激光材料通常根据两个参数：受激发射截面σe和荧光寿命τf。目前普遍采用的是在玻璃基质中掺杂稀土离子Nb3+。但研究发现，掺杂Yb3+的玻璃基质其荧光寿命是掺Nb3+材料地3-6倍，还具有较高的发光效率、较强的发光强度等优点，同时Yb3+的吸收波段在970nm处有较大的截面积，因此可直接利用现有的III-VI二极管激光进行泵浦。可见在合适的玻璃基质中掺杂Yb3+是寻找更好的高增益固体激光材料的有效途径。
但掺杂Yb3+的各类玻璃基质都存在共同的问题，即受激发射截面小，σe均小于1.1pm2，严重制约了其应用背景。
【发明内容】
本发明的目的在于提出一种具有较高受激发射截面积的新型掺杂Yb3+的氧化物玻璃。
本发明提出的新型掺杂Yb3氧化物玻璃，是由重金属氧化物玻璃：M2O-Ga2O3-A2O5掺入稀土离子Yb3+而组成，其中M2O代表K2O+Na2O+Li2O，下同，A为Nb和Ta之一种。研究表明，该玻璃发射截面均大于1.31pm2，增益系数大大提高，同时也具备良好的光学性能。
本发明提出的掺杂Yb3氧化物玻璃，当A为Nb时，即M2O-Ga2O3-Nb2O5中掺入Yb2O3，其中各主要物质原料含量的摩尔百分比(无特别申明，下面的百分比均指摩尔百分比)如下：M2O为35-45％，Ga2O3为30-50％，Nb2O5为10-30％，三者总量满足100％；Yb2O3为M2O-Ga2O3-Nb2O5系统摩尔总量的0.4-0.6％。
本发明提出的掺杂Yb3氧化物玻璃，当A为Ta时，即M2O-Ga2O3-Ta2O5中掺入Yb2O3，其中各主要物质原料含量的摩尔百分比如下：M2O为35-45％，Ga2O3为30-40％，Ta2O5为20-30％，三者总量满足100％；Yb2O3为M2O-Ga2O3-Ta2O5系统摩尔总量的0.4-0.6％。
上述掺杂Yb3氧化物玻璃中，M2O中三种组分较为合适的含量为K2O为1-98％；Na2O为1-98％；Li2O为1-98％(摩尔百分比)。
通过在M2O-Ga2O3-Nb2O5系统中引入Yb2O3，Ga2O3的摩尔百分含量在30-50％变化，Nb2O5在10-30％变化。经测量其发射截面积均大于1.31pm2。当K2O为38％，Na2O为1％；Li2O为1％；Ga2O3为30％；Nb2O5为30％；Yb2O3为前述组分总量的0.5％时，有最高的增益系数σe＝1.6194pm2。
通过在M2O-Ga2O3-Ta2O5系统中引入Yb2O3，Ga2O3的摩尔百分比含量在30-40％变化，Ta2O5在20-30％变化。当K2O为38％，Na2O为1％，Li2O为1％，Ga2O3为40％，Ta2O5为20％；Yb2O3为前述组分总量的0.5％时，增益系数σe＝1.4860pm2；当K2O为38％，Na2O为1％，Li2O为1％，Ga2O3为30％，Ta2O5为30％，Yb2O3为前述组分总量的0.5％时，增益系数σe为1.5720pm2。
本发明提出的掺杂Yb3氧化物玻璃的制备方法如下：将高纯度的各组分氧化物称量，混合后加入铂坩埚，混合料在干燥氮气下高温(1400℃-1550℃)熔融，在石磨模具中浇注，在玻璃转化温度附近退火，经切割、抛光，即可获得所要的重金属氧化物玻璃。
与以往掺杂Yb3的各类基质相比，本发明玻璃具有很高的增益系数和良好的光学性能，是极好的激光束放大候选材料，可使高能核聚变模拟实验的超强激系统实现其物理指标、降低系统成本、提高系统效率。
【附图说明】
图1是本发明中具有最大发射截面积的40M2O-30Ga2O3-30Nb2O5-0.5Yb2O3吸收光谱及发射光谱。
图2是本发明中具有最大发射截面积的40M2O-30Ga2O3-30Nb2O5-0.5Yb2O3荧光寿命图谱。
图3是本发明的重金属氧化物玻璃与其他玻璃基质的增益系数比较图。其中QX，ADY，LY，PN，PNK均为磷酸盐玻璃，FP为氟磷酸盐玻璃，MGN为本发明中的M2O-Ga2O3-Nb2O5，MGT为本发明中的M2O-Ga2O3-Ta2O5。
【具体实施方式】
下面结合实施例进一步描述本发明。
实施例1：
玻璃的组成以摩尔百分比表示为：K2O：38％；Na2O：1％，Li2O：1％，Ga2O3：30％，Nb2O5为30％，Yb2O3为前述组分总量的0.5％，且以高纯度氧化物形式称量，混合后加入铂坩埚中，配合料在干燥氮气下1400℃高温熔融，在石磨模具中浇注、退火，经切割、抛光即可获得所要的重金属氧化物玻璃。该玻璃的发射截面积为1.6194pm2。
实施例2：
玻璃的组成以摩尔百分比表示为：K2O：36％，Na2O：2％，Li2O：2％，Ga2O3：40％，Nb2O5：20％，Yb2O3为前述组分总量的0.4％，且以高纯度氧化物形式称量，混合后加入铂坩埚中，配合料在干燥氮气下1450℃高温熔融，在石磨模具中浇注、退火，经切割、抛光即可获得所要的重金属氧化物玻璃。该玻璃的发射截面积接近于实施例1。
实施例3：
玻璃的组成以摩尔百分比表示为：K2O：38％，Na2O：1％，Li2O：1％，Ga2O3：30％，Ta2O5：30％，Yb2O3为前述组分总量的0.5％，且以高纯度氧化物形式称量，混合后加入铂坩埚中，配合料在干燥氮气下1450℃高温熔融，在石磨模具中浇注、退火，经切割、抛光即可获得所要的重金属氧化物玻璃。该玻璃的发射截面积为1.5720pm2。
实施例4：
玻璃的组成以摩尔百分比表示为：K2O：36％，Na2O：2％，Li2O：2％，Ga2O3：40％，Ta2O5：20％，Yb2O3为前述组分总量的0.6％，且以高纯度氧化物形式称量，混合后加入铂坩埚中，配合料在干燥氮气下1550℃高温熔融，在石磨模具中浇注、退火，经切割、抛光即可获得所要的重金属氧化物玻璃。该玻璃的发射截面积接近于实施例3。