一种透紫外、高损伤阈值氟磷酸盐激光玻璃及其制备方法技术

本发明专利技术提出一种可作为透紫外窗口材料的高损伤阈值氟磷酸盐激光玻璃及其制备方法。该制备方法以碱金属氧化物、碱土金属氧化物、氧化铝、氧化锌和五氧化二磷为主要原料成分，添加少量稀土氟化物，通过高温熔化、澄清、均化后，用漏注法成型制备玻璃毛坯，再经过退火处理，获得高损伤阈值氟磷酸盐激光玻璃材料。该玻璃材料可替代熔石英材料，加工为透镜、平面窗口和棱镜等光学元器件应用于高能、高功率激光系统，解决现有高能、高功率系统中熔石英等紫外光学元件的激光损伤问题，进一步提高激光器的负载输出能力，并有望作为透紫外光学元件用于激光驱动惯性约束核聚变试验的高功率激光器中。

【技术实现步骤摘要】
一种透紫外、高损伤阈值氟磷酸盐激光玻璃及其制备方法
本专利技术属激光玻璃材料
，具体涉及一种透紫外高损伤阈值氟磷酸盐激光玻璃材料及其制备方法。
技术介绍
发展清洁型新能源是人类生存发展的当务之急，也是我国实施可持续发展战略优先考虑的重大问题。激光驱动惯性约束核聚变是实现受控核聚变的重要手段，可为人类提供取之不竭的能源，是解决目前全球的能源危机、缓解温室效应的一个潜在重要途径，被公认为21世纪清洁新能源的曙光。同时，激光驱动惯性约束核聚变对强场物理、激光等离子体、高能密度物理、激光核聚变物理等基础研究具有重要理论意义和实用价值。高功率激光装置是目前惯性约束核聚变(Inertialconfinementfusion,ICF)驱动源技术中较为理想、成熟的一种驱动器，已成为世界范围内ICF领域的主攻方向。大型聚变级激光装置的最大输出通量受限于大口径光学元件的损伤。随着高功率激光器的发展，比如美国的国家点火装置(NIF)、法国的兆焦耳装置(LMJ)、中国的神光Ⅲ装置(SGⅢ)和日本的GEKKO，光学元件损伤带来的危害已进一步显现。熔石英光学元件是高功率固体激光系统中应用最为广泛的光学材料，其需求量很大。熔石英光学元件的激光辐照损伤是发展高能、高功率激光系统的一个关键性制约因素。熔石英材料中的缺陷导致光学元件的损伤阈值降低及其表面损伤阈值远低于体损伤阈值，从而使材料的综合损伤阈值降低。造成熔石英材料初始损伤的缺陷主要包括材料表面的划痕、压痕、早期损伤喷溅污染物及加工产生的亚微观裂纹等材料表面缺陷和材料的本征缺陷以及激光辐照后产生的微观结构缺陷等内部结构缺陷。通过磁流变抛光、超声波清洗技术、表面酸处理等工艺可有效减少熔石英材料的表面缺陷。本征缺陷主要与熔石英材料的组成、制备工艺和微观结构有关；不同微观结构和缺陷对辐照响应而引发材料性能变化。对于高纯光学材料，外界辐照形成光学、电学等缺陷，缺陷随辐照量增大快速增殖导致介电破坏，直接影响材料的光、电学等重要性质，造成初始损伤产生。虽然，通过提高制备原料纯度、改善制备工艺来降低材料的紫外吸收系数，采用超光滑表面加工减少表面缺陷和CO2激光预处理等工艺提升表面加工质量，这些措施只能在一定程度上提高熔石英材料的损伤阈值，并不能从根本上解决其激光辐照损伤阈值低的问题。另外，熔石英在三倍频激光(0.35μm)辐照下的初始损伤以及初始损伤点在后续激光辐照下的损伤继续增长，这不但会导致元件自身的损伤进一步加剧，还会降低元件的透过率及光束质量，产生波前畸变、影响焦斑质量，甚至对光场产生调制，导致局域光强增强，极易导致“下游”光学元件损伤等严重情况的出现，是一个恶性循环。总体而言，熔石英元件一旦损伤，其力学、光学和热学性能都会被弱化，其抗激光损伤能力目前已成为限制高功率激光器系统能量进一步提升的关键因素之一，已属“瓶颈”问题。早在20世纪末期，美国NIF技术委员会就已经指出熔石英元件在高通量下的灾难性损伤应该引起材料科学家和工程人员注意，熔石英在目前的技术路线上还能前行多远？它是否能够在NIF装置设计满通量或更高通量下继续可靠使用？所以，研究开发新的、具有较熔石英更高损伤阈值的光学材料的重要性和迫切性日益凸现。美国劳伦斯-里弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)同时也提出开发更好的激光玻璃材料，使其满足在8-9J/cm2的通量下的工程应用，例如采用氟化物晶体、氟化物玻璃等在紫外波段具有很好的紫外透过性能和较高抗激光损伤性能的概念性替代物。但是，氟化物晶体存在化学稳定性差的固有不足，同时又面临难以制作大尺寸(430mm×430mm)晶体的工艺技术困境等；氟化物玻璃则极易出现析晶、成玻性差，同时熔制过程中氟化物组分挥发大、不易保持组成稳定，又需要特别苛刻的制备条件，如必须采用密闭的石墨坩埚、氩气等惰性气体保护氛围及难以使用搅拌器促进玻璃均化等，因此难以消除玻璃中组分不均匀和组分挥发产生的条纹、玻璃粘度小、大尺寸成型极其困难。虽然专利(CN102557430B)中也提出了一种高损伤阈值窗口材料的制备方法，但该高损伤阈值窗口材料是以氟化物为主要成分的玻璃体系，通过主要引入SiO2(19-20mol％)提高氟化物的成玻性和物理化学性质，加入少量稀土氧化物La2O3、Y2O3提高玻璃的热转变温度及抗析晶性能。重要的是上述氟硅酸盐玻璃体系和方法仍无法彻底解决氟化物基础玻璃体系的挥发大、粘度小、大尺寸成型条纹消除困难等问题。因此，发展一种光谱性能上满足紫外区三倍频光(0.35μm)透过率高、具有高于熔石英材料的激光损伤阈值，且化学稳定性较高，熔制工艺技术方面又适合大尺寸、批量生产的新型激光玻璃材料，以满足提升高能高功率激光器系统的负载能力和输出通量的工程需求，其科学意义和工程应用价值非常重大。
技术实现思路
针对目前石英玻璃三倍频损伤阈值低，而氟化物玻璃易析晶、难以大尺寸生产等问题，本专利技术提出了一种新型透紫外、高损伤阈值氟磷酸盐激光玻璃组成及其制备方法。该激光玻璃材料在近紫外区、可见光区有很好的光谱透过性能，在三倍频(0.35μm)高能脉冲激光辐照下具有高的抗激光损伤阈值，而且化学性能稳定、适用于大批量生产。为了实现上述目的，本专利技术公开的技术是通过在磷酸盐玻璃体系中引入少量可改善其紫外透过特性和非线性系数的氟化物组分、可调节玻璃粘度的氧化锌，获得新型大尺寸的透紫外高损伤阈值氟磷酸盐激光玻璃材料。本专利技术的透紫外高损伤阈值的氟磷酸盐激光玻璃材料的原料成分及配比如下：各成份配比之和为100％，根据各组分的摩尔数计算出其重量百分数，称取原料混合均匀。基于以上配比，碱金属氧化物(R2O)总和最优为6～20mol％，碱土金属氧化物(R′O)总和最优为7～15mol％，P2O5与Al2O3的比例最优为7～12，氧化物与氟化物的比例最优为15～22；所述碱金属氧化物包括原料成分中的Li2O、Na2O、K2O，所述碱土金属氧化物包括原料成分中的MgO、CaO、SrO、BaO。该透紫外高损伤阈值的氟磷酸盐激光玻璃材料的制备方法，是按照以上原料成分及配比，称取原料混合均匀，通过高温熔融、搅拌澄清、均化后，采用漏注法成型大尺寸玻璃毛坯，经退火处理，最终获得所述氟磷酸盐激光玻璃材料。具体可以按照以下步骤实现：(1)根据以上原料成分及各成分的摩尔比，计算出各成分的重量百分比，称取原料、混合均匀；(2)将混合均匀的粉料分次加入铂金坩埚中，加热熔融，熔制温度控制在1280℃左右，并用铂金叶浆搅拌器进行提升搅拌，使高温玻璃液澄清消除气泡，取样无气泡后进一步搅拌均化消除条纹，从而整个坩埚内的玻璃液上部下部的组成都一致，即组分均匀；实际操作中，澄清时间可根据玻璃取样的气泡消除情况而定，均化时间可根据取样玻璃的折射率均一性确定；(3)待玻璃液澄清消除气泡并充分搅拌均匀后，将高温玻璃液经由坩埚底部的细长漏料嘴缓慢注入到已经预热到300℃的铜模具中进行玻璃毛坯成型；(4)将铜模具中已冷却定型的玻璃毛坯快速放入预热的马弗炉中，经过保温、退火，最后自然冷却至室温，得到高损伤阈值的氟磷酸盐激光窗口玻璃材料。基于上述制备工艺流程，本专利技术还进一步作如下优化：步骤(4)中，将铜模具中已冷却定型的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透紫外高损伤阈值的氟磷酸盐激光玻璃材料，其特征在于：原料成分及配比如下各成份配比之和为100％。

【技术特征摘要】
1.一种透紫外高损伤阈值的氟磷酸盐激光玻璃材料，其特征在于：原料成分及配比如下各成份配比之和为100％。2.根据权利要求1所述的透紫外高损伤阈值的氟磷酸盐激光玻璃材料，其特征在于：碱金属氧化物总和为6～20mol％，碱土金属氧化物总和为7～15mol％，P2O5与Al2O3的比例为7～12，所有氧化物之和与所有氟化物之和的比例为15～22；所述碱金属氧化物包括原料成分中的Li2O、Na2O和K2O，所述碱土金属氧化物包括原料成分中的MgO、CaO、SrO和BaO。3.一种透紫外高损伤阈值的氟磷酸盐激光玻璃材料的制备方法，其特征在于：按照权利要求1确立的原料成分及配比，称取原料混合均匀，通过高温熔融、搅拌澄清、均化后，采用漏注法成型大尺寸玻璃毛坯，经退火处理，最终获得所述氟磷酸盐激光玻璃材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)根据权利要求1列出的原料成分及各成分的摩尔比，计算出各成分的重量百分比，称取原料、混合均匀；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏飞，彭波，陆敏，高飞，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61