[发明专利]一种光热敏折变中红外玻璃及其制备方法

说明书

本发明公开了一种光热敏折变中红外玻璃及其制备方法，由以下摩尔百分比的原料制成：GeO₂ 60％～79.97％，A₂O₃ 5％～10％，MO 5％～18％，MF₂ 5％～10％，NF 5％～10％，MnF₂ 0.02％～0.1％，Ag₂O 0.01％～0.1％；其中，A是Al或Ga元素；M是Ba或Zn元素；N是Li、Na或K元素。其制备方法包括：以化合物为原料配制玻璃混合料；将玻璃混合料放入铂金坩埚中并加上盖子，放入电炉中升温至1200～1400℃并保温1～3小时进行熔制；将玻璃液浇注到铜质模具内冷却形成玻璃，将形成的玻璃在460～500℃保温2～6小时进行退火处理，最后以0.2～1℃/min的速率冷却至室温。本发明光热敏折变中红外玻璃在3～4.5μm波段具有较高的透过率(80％)，通过激光辐照和热处理可在玻璃内部形成高达0.002的折射率调制度，可用于高性能中红外体布拉格光栅的制备。

技术领域

本发明属于红外玻璃材料领域，涉及一种光热敏折变玻璃，特别涉及一种光热敏折变中红外玻璃及其制备方法。

背景技术

体布拉格光栅是多种先进光电装备的核心部件，它一般通过对光热敏折变玻璃进行曝光和热处理使玻璃内部形成周期性折射率分布而获得。体布拉格光栅在改善激光束质量、实现拍瓦脉冲的压缩与展宽、角选择近场滤波、半导体激光输出光谱稳定以及模式选择中扮演着非常重要的角色。同时，体布拉格光栅由于具有衍射效率高和易于集成等特点，可满足先进光束分析分离与控制技术高效、紧凑、稳定和低成本的要求，是国内外先进光学材料和先进功能光学器件领域关注的热点。经过国内外相关机构几十年不断的努力与尝试，目前已在氟硅玻璃体系的光热敏折变玻璃中实现了高性能体布拉格光栅的刻写。如美国OptiGrate公司在氟硅玻璃基光热敏折变玻璃中设计并制备了多种体布拉格光栅，其衍射效率高达99％以上，可长期稳定工作在400℃度以下。然而受限于氟硅玻璃本身红外透过范围窄的缺点，现有体布拉格光栅仅能工作在波长小于2.7微米的波段。

3～5微米中红外波段位于大气窗口和生物分子特征指纹区，工作于该波段的光电器件在大气遥感、环境监测、食品安全、生物医疗、工业安全生产和有毒有害气体检测等领域发挥着重要的作用。由于中红外体布拉格光栅在上述领域有着重要的应用价值和前景，近十几年来国内外相关研究机构对此开展了大量研究。2004年，上海光机所赵全忠等人在CaF₂红外晶体中制备了体光栅，但其折射率调制幅度仅为0.000357，造成光栅衍射效率极低。2013年英国赫瑞瓦特大学MacLachlan等人采用1064纳米飞秒激光刻蚀技术对在Ga-La-S硫系玻璃中获得了中红外体光栅，通过计算模拟发现折射率调制幅度为0.0075，在2640纳米中红外波段一级衍射效率为24％，但使用该技术很难制备大尺寸的体光栅。2017年英国卢瑟福阿普尔顿国家实验室Butcher等采用1030纳米飞秒激光刻蚀技术，在商用IG2(Ge₃₃As₁₂Se₅₅)硫系玻璃中制备了可用于3～5微米中红外波段的透射式体光栅，其在3微米一级衍射效率为44％。然而上述中红外材料均存在各自无法回避的缺点，如晶体材料(CaF₂、ZnSe等)可获得的折射率调制度小，很难满足衍射效率要求，且无法采用成熟的双光束干涉法制备体布拉格光栅；硫系玻璃的光敏稳定性较差，如容易发生光暗化或光漂白等现象，工作稳定性差。目前尚未见可工作在3～5μm波段的高折射率调制度、高工作稳定性的光热折变材料的报道。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种光热敏折变中红外玻璃，该玻璃在3～4.5微米波段的透光性能优异，通过光照和热处理可在玻璃内部形成高的折射率调制度，能够用于高性能中红外体布拉格光栅的制备。

本发明的目的之二是提供上述光热敏折变中红外玻璃的制备方法，工艺简单，可实现玻璃的批量生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种光热敏折变中红外玻璃，该玻璃由以下摩尔百分比的原料制成：