一种掺镝硒化物玻璃及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺镝硒化物玻璃及其制备方法。该掺镝硒化物玻璃的主要应用为１．３μｍ通讯窗口光纤放大器材料。本发明专利技术是一种以硒、锗、镓为主要成分，引入稀土元素镝制备而成的硒化物玻璃。所得到的玻璃经表面研磨、抛光处理后做红外光谱、显微硬度、密度、ＸＲＤ、红外发光和荧光寿命等测试。结果显示，硒化物玻璃具有较长的红外截止波长，说明该系统的声子能量较低，能有效提高稀土的发光量子效率，稀土元素Ｄｙ的掺杂含量为２０００ｐｐｍ（重量比）时，部分样品具有较好的发光性能，分别在１１４６ｎｍ和１３４３ｎｍ波长处具有发光，荧光寿命测定值为４４０～５３０μｓ，长于镝在硫化物玻璃中的荧光寿命。

Dysprosium doped selenide glass and preparation method thereof

The invention discloses an dysprosium doped selenide glass and a preparation method thereof. The main application of this kind of dysprosium doped selenium glass is 1.3 m communication window fiber amplifier material. The present invention relates to selenide glass prepared by introducing rare earth element dysprosium with selenium, germanium and gallium as main components. The obtained glass was tested by infrared spectrum, microhardness, density, XRD, infrared luminescence and fluorescence lifetime after surface grinding and polishing. The results showed that the infrared cutoff wavelength of selenide glass has a long description of the system, the phonon energy is low, can effectively improve the quantum efficiency of rare earth doped rare earth Dy content is 2000ppm (weight ratio), part of the sample has good luminous performance, respectively at 1146nm and 1343nm wavelengths with light and the fluorescence lifetime measurement value is 440 ~ 530 s, longer than the fluorescence lifetime of dysprosium in sulfide glass.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及红外光学透过材料、红外发光材料及其制备方法，尤其是涉及通讯窗口光纤放大器用掺镝硒化物玻璃。
技术介绍
光纤放大器是实现全光通信的关键技术基础。近年来铒光纤放大器(EDFA)在1.55μm的通讯窗口上的应用取得了巨大的商业效益，与此同时对于1.31μm的通讯窗口的光纤放大器的研发却没有引起足够的注意。1.31μm为石英玻璃的零散射窗口，全球范围内90％的光纤均采用了此波段作为工作窗口，目前光纤有线电视(CATV)系统与同步数字(SDH)系统大部分也采用了1.31μm窗口，因而开发适用于该通讯窗口的光纤放大器材料具有重要的实际意义和巨大的商业意义。硫系玻璃因具有优秀的红外透过性能，且成玻性能好，化学稳定性高，制备简单易于成形，因此是红外光学放大器和激光放大器的候选材料。硫系玻璃的声子能量约为300-350cm-1，远低于氧化物玻璃(～1100cm-1)和氟化物玻璃(～550cm-1)，从而能有效降低稀土离子能级间的非辐射跃迁，使得在中红外及红外波段的高效发光成为可能。同时，硫系玻璃的较高折射率使其具有较低的多声子去激率和较高的吸收/受激发射截面，同样有益于提高玻璃的发光效率。研究表明，镨离子可以在1.31μm波段发光，并且关于硫系玻璃中谱离子的掺杂及其发光情况国际上研究较多。但是，硒化物玻璃的质量较小，共价性较弱，因而声子能量较高，使得能级间多声子弛豫的非辐射跃迁概率也更高，从而玻璃的发光量子效率较低。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题之一是提供一种能够应用于1.31μm通讯窗口的光纤放大器材料的一种掺镝硒化物玻璃。本专利技术需要解决的技术问题之二是公开上述掺镝硒化物玻璃的制备方法。本专利技术的技术构思是这样的 硒化物玻璃是传统的硫系玻璃中的一类，其特点是禁带宽度较窄，在近红外和红外区有一定的透过性，声子能量低，可有效降低稀土离子能级间多声子弛豫的非辐射跃迁概率，从而更加有效地提高玻璃的发光量子效率，适宜作为稀土发光离子的基质材料。稀土元素镝可提供1.31μm波段的发光，其受激发射截面高于镨掺杂硫系玻璃，荧光分支比超过90％，通过选择合适的低声子能量基质材料，可实现较高量子效率的发光。本专利技术是在硒化物玻璃中掺杂稀土元素镝(Dy)而形成的一类新型掺镝的硒化物红外发光玻璃。该系统玻璃的组成设计兼顾了玻璃的形成能力、力学性能、近红外区的高光学透过性、较长的红外截至波长(较低的声子能量)以及红外发光特性。本专利技术的掺镝硒化物玻璃的基本组成为锗(Ge)、镓(Ga)、硒(Se)和镝(Dy)元素，摩尔含量为Se65～80％Ge15～30％Ga 0～5％以Ge-Ga-Se玻璃的总重量计，Dy的重量含量为2000ppm。Ppm为百万分之一。其中镓用来提高稀土元素的引入量和分散性；上述掺镝硒化物玻璃的制备方法包括如下步骤将封接于石英安瓿中的原料Se、Ge、Ga和Dy在900～1000℃的温度下熔制，保温8～10小时，加热的过程中最好保持摇摆，然后冷却至15～35℃，然后放入预先升温至190～210℃的环境中，保温0.2～1.0小时冷却至15～35℃，即获得本专利技术的玻璃。按照本专利技术优选的方案，原料先进行纯化和干燥，包括如下步骤将装有Se的石英安瓿在300℃下边抽真空边加热，根据同温度下不同物质的蒸气压不同的原理，Se的氧化物在特定温度下的蒸气压大于Se，因而其氧化物蒸馏出去，从而得到提纯。另外，也可以在原料中加入适量的除氧剂，比如Mg、Zr等，对玻璃进行提纯。进一步，本专利技术将原料装于石英安瓿，置于沸腾的水槽中，此时水温为100℃，石英安瓿一端抽真空，原料在100℃的真空环境中，水分挥发，配合料得到干燥；进一步，原料在石英安瓿中的真空封接包括如下步骤将原料置于石英安瓿中，用真空泵抽真空至10-3tor，在煤气-氧气火焰上封接，在抽真空的过程中，烘烤石英安瓿，以除去原料中的水分。采用本专利技术的方法制备的具有上述配比的玻璃，具有较好的成玻性能，制备的玻璃样品质地均匀，外观呈深黑色，表明不透可见光。该系统玻璃的可见及近红外吸收限波长为640-880nm，红外截至波长为15-17.5μm，密度为4.3-4.5g/cm3，显微硬度为127.1-206.6kgf/mm2，在1146nm和1343nm波长处有发光，荧光寿命测定值为440-530μs。本专利技术的玻璃可用于1.31μm的通讯窗口的光纤放大器，本专利技术选用硒化物玻璃为红外发光基质材料，掺杂稀土元素镝作为发光体。较之于硫化物玻璃，硒化物玻璃具有更大的质量和更强的共价性，因而声子能量更低，使得能级间多声子弛豫的非辐射跃迁概率也更低，从而能更加有效地提高玻璃的发光量子效率。具体实施例方式下面将通过实施例说明本专利技术的主要内容，但不仅仅局限于这些实例。实施例1配方设计采用硒、锗、镓三元系统，掺杂稀土元素为镝。组分设计如下表1 实施例1的玻璃组成(摩尔％) 以Ge-Ga-Se玻璃的总重量计，掺杂Dy的重量含量为2000ppm。配合料配制分别采用高纯度(＞99.999％)单质硒、锗和镓为原料，按表1所示的组成进行配方计算。先将锗和镓进行配合料配制。原料纯化和干燥将装有Se的石英管放入高温炉中，边抽真空边加热，硒的氧化物在真空下蒸馏出去，从而使Se得到提纯。将纯化好的硒与前述配合料混合，装于特制的石英管里，置于沸腾的水槽中，此时水温为100℃，一端抽真空，原料在100℃的真空环境中，水分挥发，配合料得到干燥。将配合料置于处理过的石英安瓿中，真空(10-3tor)封接。玻璃熔制将封接好的装有配合料的石英安瓿置于摇摆电炉中，加热时保持摇摆，以改善玻璃液的熔化与澄清质量。熔化温度为960℃，保温时间为8小时。将熔化好的玻璃连同石英安瓿一起在空气中冷却。将冷却后的石英安瓿直接移至马弗炉内。马弗炉预先升温至200℃。在马弗炉中保温半小时后将电炉关闭，玻璃试样随炉冷却至室温。试验结果所得到的玻璃试样经表面研磨、抛光处理后做如下性能测定。结果见表2。表2 实施例1玻璃的性能测试结果 实施例2～8在下述各实施例中，玻璃的制备方法同实施例1，所采用的不同玻璃组成和性能试验结果分别列于表3和表4。表3 实施例2～8的玻璃组成 以Ge-Ga-Se玻璃的总重量计，掺杂Dy的重量含量均为2000ppm。表4 实施例2～8玻璃的性能试验结果 权利要求1.一种掺镝硒化物玻璃，其特征在于，基本组成为Ge、Ga、硒和Dy元素，摩尔含量为Se65～80％Ge15～30％Ga0～5％以Ge-Ga-Se玻璃的总重量计，掺杂Dy的重量含量为2000ppm。2.根据权利要求1所述的掺镝硒化物玻璃，其特征在于，该系统玻璃的可见及近红外吸收限波长为640-880nm，红外截至波长为15-17.5μm，密度为4.3-4.5g/cm3，显微硬度为127.1-206.6kgf/mm2，样品在1146nm和1343nm波长处有发光，荧光寿命测定值为440-530μs。3.根据权利要求1或2所述的掺镝硒化物玻璃的制备方法，其特征在于，包括如下步骤将封接于石英安瓿中的原料Se、Ge、Ga和Dy在900～1000℃的温度下熔制，保温8～10小时，冷却后放入预先升温至190～210℃的环境中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺镝硒化物玻璃，其特征在于，基本组成为Ｇｅ、Ｇａ、硒和Ｄｙ元素，摩尔含量为：Ｓｅ６５～８０％Ｇｅ１５～３０％Ｇａ０～５％以Ｇｅ－Ｇａ－Ｓｅ玻璃的总重量计，掺杂Ｄｙ的重量含量为２０００ｐｐｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵东辉，夏方，任晶，曾惠丹，杨云霞，陈国荣，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]