玻璃不簡(jiǎn)單！玩轉(zhuǎn)新型稀土玻璃
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稀土在光學(xué)玻璃中的應(yīng)用起始于19世紀(jì)末，主要是用CeO2作玻璃的脫色劑，上世紀(jì)二十年代后期，摩萊(Morey)開(kāi)始研究稀土元素氧化物的硼酸鹽玻璃，以后各國(guó)都進(jìn)行了鑭系硼酸鹽光學(xué)玻璃的研究。1925年美國(guó)莫里(G.N.Morey)開(kāi)始研究稀土硼酸鹽玻璃，1938年美國(guó)柯達(dá)公司首次制造出具有高折射率、低色散特性的含鑭光學(xué)玻璃，從而擴(kuò)大了光學(xué)玻璃的光學(xué)常數(shù)范圍。光學(xué)玻璃組成中引入較多稀土氧化物的稀土玻璃具有高折射率，低色散的特點(diǎn)，是制造大孔徑、寬視場(chǎng)攝影物鏡、長(zhǎng)焦距、變焦距鏡頭以及高倍顯微鏡等不可缺少的光學(xué)材料，它對(duì)于改善光學(xué)儀器特別是照相機(jī)物鏡的成像質(zhì)量和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)有重要意義，因而在國(guó)防軍工用光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中成為關(guān)鍵材料。
目前在世界范圍內(nèi)采用稀土金屬氧化物制得的光學(xué)玻璃多達(dá)300多種，它們被廣泛地用在航天、航海、軍工、電視電影、天文、地質(zhì)和照相等方面。國(guó)外有許多國(guó)家都能夠生產(chǎn)稀土光學(xué)玻璃，主要生產(chǎn)國(guó)家有日本、美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)等。近20年來(lái)，我國(guó)對(duì)稀土光學(xué)玻璃的研究已經(jīng)取得了不少成果，在硅酸鹽系統(tǒng)、硼酸鹽系統(tǒng)、磷酸鹽系統(tǒng)、鹵化物系統(tǒng)等方面都取得了很大進(jìn)展。至今中國(guó)鑭系光學(xué)玻璃的生產(chǎn)能力已超過(guò)2500噸/年，居世界首位，標(biāo)志著我國(guó)稀土光學(xué)玻璃的先進(jìn)水平。
稀土激光玻璃
在稀土激光玻璃的制造中，Nd3-離子是最普遍，采用的諧振腔工作物質(zhì)之一。主要是由于Nd3-離子能引起吸收和發(fā)光，它是諧振腔的發(fā)光中心，4f-電子在Nd3-離子中某種程度上的隔離作用，是玻璃狀結(jié)晶格子對(duì)輻射帶的高度與寬度產(chǎn)生影響的原因，也是對(duì)能級(jí)混合以能級(jí)局部分裂產(chǎn)生影視的原因。
自1961年首次使用摻釹的硅酸鹽玻璃獲得脈沖激光，開(kāi)辟了稀土玻璃激光材料與器件的研究。在玻璃中目前已知可以產(chǎn)生激光的稀土離子有Nd3+、Er3+、Ho3+、Tm3+、Yb3+等。由于稀土玻璃激光材料具有易于制備，利用熱成型和冷加工可制備不同大小尺寸和形狀的玻璃。玻璃組分可在很大的范圍內(nèi)變化，從而可以改變玻璃對(duì)激光長(zhǎng)的折射率，并可調(diào)節(jié)折射率的溫度系數(shù)、熱光系數(shù)和非線(xiàn)性折射率等光學(xué)性質(zhì)，獲得光學(xué)質(zhì)量和光學(xué)均勻性好的激光材料。1963年長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所成功地研制出摻釹激光玻璃，并研制出釹玻璃激光器。1964年，開(kāi)發(fā)出的硅酸鹽釹玻璃和磷酸鹽釹玻璃，高增益、高量子效率、低非線(xiàn)性折射率、低損耗系數(shù)，機(jī)械性質(zhì)優(yōu)異，并具有很強(qiáng)的沖擊能力。這些玻璃已成功地應(yīng)用于我ICF大型激光裝置上，成為除美國(guó)、日本、德國(guó)和俄羅斯等國(guó)之外能制備用于ICF激光釹玻璃的國(guó)家。
稀土光纖玻璃
由稀土光纖玻璃制成的光導(dǎo)纖維，在光通訊中發(fā)揮重要作用。稀土光纖具有傳光效率高、集光能力強(qiáng)、信息傳遞量大、速度快、分辨率高、抗干擾、耐腐蝕、可彎曲、保密性好、資源豐富、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。
自1997年NTT公司首先提出摻Er3+碲酸鹽光纖可用于寬帶放大器以來(lái)，碲酸鹽玻璃光纖的實(shí)用化進(jìn)程相當(dāng)快。NTT公司在1997年報(bào)道的摻鉺碲酸鹽光纖的損耗為3dB/m，1998年減小到0.5dB/m，1999年又減小到0.05dB/m，現(xiàn)在損耗為0.02dB/m。之后，有關(guān)摻稀土碲酸鹽玻璃光纖的專(zhuān)利申請(qǐng)急劇增加，申請(qǐng)單位涉及日本NTT公司、美國(guó)Corning公司、Lucent公司及Bell實(shí)驗(yàn)室等，其中的一個(gè)重要原因在于大家都認(rèn)識(shí)到碲酸鹽玻璃光纖在光纖通信和增益帶寬方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
2000年日本Asahi公司和日本京都大學(xué)首先提出鉍酸鹽玻璃可以用作光纖放大器材料，一年后Asahi公司研制出摻Er3+鉍酸鹽玻璃光纖，他們?cè)谘芯繄?bào)告中指出，摻Er3+鉍酸鹽玻璃光纖能在C+L波段同時(shí)工作，另外，鉍酸鹽玻璃光纖在強(qiáng)度、防潮和抗裂三個(gè)方面明顯優(yōu)于碲酸鹽和氟化物光纖，且制備成本低。但是有關(guān)摻Er3+鉍酸鹽玻璃光纖構(gòu)成的EDFA在增益平坦、噪聲指數(shù)方面的研究還有待進(jìn)一步深入。
基于氟化物玻璃的低聲子能量以及氟化物光纖成熟的制造技術(shù)，摻Tm3+氟化物光纖目前廣泛應(yīng)用于TDFA或GS-TDFA。這種光纖主要以ZBLAN、ZBLAL、ZBAN等玻璃系統(tǒng)為主。摻Er3+磷酸鹽玻璃光纖與碲酸鹽、鉍酸鹽、氟化物玻璃光纖相比，帶寬并不占優(yōu)勢(shì)，但磷酸鹽玻璃對(duì)Er3+離子的溶解度很高，單位長(zhǎng)度增益極高。美國(guó)Kigre公司利用自己在磷酸鹽激光釹玻璃生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)，研制出摻Er3+磷酸鹽玻璃光纖。在OFC’2001會(huì)議上報(bào)道了5.1cm光纖長(zhǎng)度下獲得15.5dB增益的結(jié)果，單位長(zhǎng)度增益約為3.0dB/cm，這個(gè)數(shù)值近期又提高到了5.4dB/cm。
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