碲铌基玻璃及其制备方法、用途技术

碲铌基玻璃，以ＴｅＯ↓［２］和Ｎｂ↓［２］Ｏ↓［５］为主要原料，适当添加辅助原料而成，其特征是该玻璃组份如下：　　　　主要原料：　　　　ＴｅＯ↓［２］　　６１～８７ｍｏｌ％　　　　Ｎｂ↓［２］Ｏ↓［５］　　６～２２ｍｏｌ％　　　　辅助原料：　　　　过渡金属氧化物　　０～２８ｍｏｌ％　　　　稀土金属氧化物　　０～３ｍｏｌ％。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属非线性光学玻璃材料
，具体涉及一种碲铌基玻璃及其制备方法、用途。
技术介绍
重金属氧化物系统非线性光学玻璃材料，尤其是掺有稀土金属离子的重金属氧化物系统玻璃及其光学器件，广泛应用于高速通信网络系统。它主要有两类应用一类是在光信息传输过程中用于超高速信息切换和长距离输送的超高速全光开关和光纤放大器器件；另一类是用于光通讯系统中的宽透过范围的窗口材料、光纤材料以及滤波器件等。非线性光学玻璃材料在激光泵激下会产生特殊的光学非线性响应，利用NOLM非线性光学环路镜和Mach-Zehnder干涉法，在激光的作用下改变材料的折射率，从而使信号光的相位发生变化，利用干涉作用以达到光信号的开关和切换的目的，实现全光开关的作用。同时，利用非线性光学玻璃材料在激光泵激时所产生的三波混频效应或三次谐波效应，使输入信号光强度得以中继放大，从而实现光信息长距离传输。应用于光通信系统的非线性光学玻璃材料必须拥有优良的三阶非线性光学性能和综合品质。优良的三阶非线性光学性能可以保证光通信器件在较小的激光泵浦能量下完成光开关和光信号放大过程。现有的光学玻璃材料包括传统氧化物玻璃材料、重金属氧化物玻璃材料、卤化物玻璃和硫系玻璃等。硅酸盐、硼酸盐等传统氧化物玻璃的三阶非线性光学性能较差、红外截止波长较短，光学透过窗口较窄，不能满足先进的光通信器件制作的要求。卤化物玻璃、硫系玻璃的光学非线性虽然优于传统氧化物玻璃，红外透过窗口也较宽，但它们的化学稳定性较差，使用寿命较短，加工性能差，难以制成实用化的光通信器件。应用于光通信器件的非线性光学材料还包括一些半导体材料和有机高分子材料等。这些材料的非线性光学性能较高，在光通信器件制作中已有应用。但半导体光通信器件的制备工艺较复杂、光学透过性能和非线性响应速度较低，光纤耦合性也较差。有机高分子材料则在稳定性和使用寿命等方面存在一定局限性。上述问题限制了半导体材料和有机高分子材料在光通信器件上的实际应用。碲酸盐系列重金属氧化物玻璃及其非线性光学性能已经成为光通信器件潜在的实用材料。碲酸盐系统玻璃的三阶非线性极化率高于SiO2玻璃150倍以上，非线性光学响应速度、光学透过性能和化学稳定性等性能优良，成为超高速全光开关器件和光纤放大器件制备的重要候选材料之一。碲酸盐系列玻璃的三阶光学非线性和综合品质的不断提高，成为新型光通信器件研制的追求目标。在国际上已公开的专利中，碲酸盐系列重金属氧化物玻璃主要用于制作激光光源、光纤放大器和声光器件等。US5251062、US6266181、EP1284247、JP11236240、CN1378523A等利用含ZnO、WO3、Bi2O3、稀土金属氧化物、碱金属或碱土金属氧化物等的碲酸盐玻璃的受激发射截面大、增益带宽宽等特点制作光纤放大器和激光光源。而US4265517和JP6288135则利用含ZnO、PbO、碱金属和碱土金属氧化物的碲酸盐玻璃的良好低声子能、低熔点等特点制作声光器件。目前国内外还没有关于将碲铌基重金属氧化物玻璃或掺入稀土金属离子的碲铌基玻璃，应用于光通信器件的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种碲铌基玻璃及其制备方法、用途。本专利技术提出的碲铌基玻璃，以TeO2和Nb2O5为主要原料，适当添加辅助原料，经混合、高温熔制而成。其组份的组成如下主要原料TeO261～87mol％Nb2O56～22mol％辅助原料过渡金属氧化物 0～28mol％稀土金属氧化物 0～3mol％。本专利技术中，所述辅助原料为过渡金属氧化物或稀土金属氧化物之任一种或其二种组成。本专利技术中，过渡金属氧化物为ZnO、PbO、Bi2O3、V2O5、WO3、TiO2之一种或几种组成。稀土金属氧化物为CeO2、Y2O3、La2O3、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、HO2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3之一种或几种组成。本专利技术中，碲铌基重金属氧化物玻璃拥有优良的三阶非线性光学性能和综合品质。玻璃中含空d0轨道的Te4+、Nb5+等离子可产生较好的光学非线性，同时Te4+和Nb5+离子组成较为牢固的玻璃网络结构，提供了较好的化学稳定性和热稳定性。接近于无色的碲铌基玻璃在410至5500nm的范围内提供了一个优异的光学透过窗口，使其满足光学器件制作的主要条件。而掺入稀土金属离子的碲铌基重金属氧化物玻璃可利用稀土离子的特征能级，提供电子跃迁所需的附加能级，以提高玻璃的非线性光学性能。本专利技术的碲铌基玻璃具有较好的玻璃形成能力，熔制温度低于1000℃；浇注时熔体不易析晶，Tc-Tg＞100℃(Tc为析晶温度，Tg为玻璃转变温度)，可以传统的方法成形为多种形状的光学元件。本专利技术的碲铌基玻璃具有较宽的可见光至紫外光透过窗口，在420～5500nm的范围内具有较高的透过率t(玻璃厚度为2mm时，t＞80％)。本专利技术的碲铌基玻璃具有较高的光学折射率，例如在波长λ＝532nm处，折射率＞2.1，且由此衍生出有较高的非线性光学极化率χ(3)，χ(3)＞1.0×10-12esu，具有较快的光信号响应时间τ，τ＜6.0×10-13秒。本专利技术的制备方法如下以常规方式混合本专利技术配比的TeO2、Nb2O5、过渡金属氧化物或稀土金属氧化物，经搅拌混合制成玻璃配合料后，置于金坩埚中。将金坩埚置于750-950℃的高温炉中，待搅拌熔融10～20分钟后，倒入经预热的铜模中成型。成型后的玻璃在其玻璃化转变温度(Tg)附近的温度下进行退火。退火后的碲铌基玻璃经抛光制成合格的光学镜片；或当玻璃尚在熔融态时直接拉制成玻璃光纤，用于制作光通讯器件。本专利技术还涉及应用于光通讯的透红外窗口材料、超高速全光开关、光纤参量放大器以及滤波材料等光学元件材料。本专利技术采用高温熔制法获得的碲铌基重金属氧化物玻璃材料可应用于多种光通讯材料。玻璃中的TeO2构成具有优良三阶非线性光学性能和宽透过窗口的重金属氧化物玻璃网络骨架；具有d0轨道的Nb2O5的引入可提高玻璃的光学非线性和成玻能力；PbO、ZnO、Bi2O3等过渡金属氧化物的加入有利于提高玻璃的综合品质；而稀土金属氧化物的加入则有助于玻璃光学非线性的进一步提高。在碲铌基玻璃中掺入稀土金属氧化物，使玻璃的三阶非线性光学性能进一步提高，而玻璃的形成能力、化学稳定性、光学透过性能仍保持较好的状态，材料的综合品质进一步提高。同时，碲铌基重金属氧化物玻璃的红外截止波长大于5500nm，光学透过窗口很宽，加之其优良的综合品质，使其成为理想的红外窗口材料和光纤材料。如果利用部分过渡金属离子和稀土金属离子的特征吸收，还可成为优质的滤波材料。而优良的综合品质，包括非线性光学响应时间、线性光学折射率、光学透过窗口、光学损耗、化学及热稳定性、激光破坏阀值、使用寿命等，都是制作优质全光开关器件和光纤放大器件的必备条件。本专利技术的制备方法简单，操作方便，适合工业化生产。附图说明图1是表示在TeO2-Nb2O5-PbO系统中能形成碲铌基玻璃的组成区域图。图中上部顶点表示为100mol％的TeO2，基线的左端表示为100mol％的Nb2O5，右端表示为100mol％的PbO；正三角形三条边分别表示TeO2-PbO、PbO-Nb2O5、Nb2O5-T本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文旵，林健，孙真荣，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：