一种钕掺杂激光器用石英玻璃的制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种钕掺杂激光器用石英玻璃的制备工艺，将溶胶法与滴定喷雾法相结合，溶胶制备时采用六水合氯化钕、六水合氯化铝、纳米二氧化钛、六水合氯化钇、硅醇盐、有机溶剂和水作为原料，其掺杂成分范围为：Nd3+:0.5～1.2mol％、Al3+:0.4～6mol％、Ti4+：0～3mol％、Y3+:0～0.8mol％，余量为Si4+，掺杂所需时间较短，所得的石英棒中Nd3+离子掺杂浓度高达0.8‑3.5wt％，掺杂均匀性可达到2*10‑4量级；石英棒外径尺寸可达到φ30*150mm，Nd3+离子的峰值发射截面>1.5x10～20cm2，熔制工艺成本相对较低，可替代现有的Nd3+掺杂的磷酸盐玻璃和YAG晶体应用到激光冲击强化设备及激光聚变能源发电方面。

Preparation process of a quartz glass for Nd doped laser

The invention discloses a preparation process of quartz glass for Nd doped laser. The sol method is combined with titrated spray, and six hydrated neodymium chloride, six hydrated aluminum chloride, nano titanium dioxide, six hydrated yttrium chloride, silanol salt, organic solvent and water are used as raw materials when the sol preparation is prepared. The doping composition range is Nd3+: 0.5 ~ 1.2mol%, Al3+: 0.4 ~ 6mol%, Ti4+:0 to 3mol%, Y3+: 0 ~ 0.8mol%, the residual amount is Si4+, the doping time is shorter, the doping concentration of the Nd3+ ion in the quartz rod is up to 0.8 3.5wt%, the doping uniformity can reach 4 order of magnitude, and the outer diameter of the quartz rod can reach the magnitude 30*150mm and the peak emission of the ion. The cross section >1.5x10 ~ 20cm2, the melting process cost is relatively low, can replace the existing Nd3+ doped phosphate glass and YAG crystal to be applied to laser shock strengthening equipment and laser fusion energy generation.

【技术实现步骤摘要】
一种钕掺杂激光器用石英玻璃的制备工艺
本专利技术涉及石英玻璃的制备
，具体为一种钕掺杂激光器用石英玻璃的制备工艺。利用该方法制备的石英玻璃可以替代现有的Nd3+掺杂的磷酸盐玻璃和YAG晶体应用到激光冲击强化设备及激光聚变能源发电方面。
技术介绍
针对于1μm段的激光材料，不论是氙灯泵浦还是LD作为泵源，从激光冲击强化技术和激光聚变能源发电的应用来说，均需要激光材料具有高重频耐热冲击性能，同时其光谱、激光性能要足够好。近些年来国内外提出了多种可能应用的激光材料。比如Yb-FAP、Nd/Yb-YAG、Nd/Yb-CaF2、Nd/Yd-Glass等。其中晶体(YAG)或透明陶瓷材料一般具有较高的热导率以及较高的发射截面优点，但其吸收峰过窄不利LD泵浦匹配，同时具有储能差、非线性自聚焦性能差等缺点；而激光玻璃(N31)一般具有高掺杂浓度、高寿命储能、宽带吸收峰利于LD泵源匹配以及大尺寸等优点，但是导热性能过差。尽管Nd/Yb掺杂CaF2晶体也已具备许多激光玻璃的优点，但其存在的致命缺点是热膨胀太大，比现有的N31激光玻璃膨胀系数大50％，因此其受热引起的形变较大。而且氟化物的材料损伤阈值相对较低，容易导致材料热畸变及产生碎裂，对整个系统的运行稳定性带来较大影响。根据以上分析，尽管激光玻璃材料的导热性差，但如果使其具备极低的热膨胀系数，则由热引起的激光玻璃冲击破坏将被大幅降低，从而提高激光玻璃的高重频耐热冲击性能。石英玻璃极低的热膨胀系数很好地满足了这一要求。因此在耐热冲击性能方面是最理想的，达到了12W/cm，是YAG的1.5倍。但是Nd3+掺杂的石英玻璃中Nd3+的掺杂浓度较低导致其光谱性低的缺陷，需要作进一步的提升。公开号为CN106396378A的专利技术专利公开了一种Nd3+均匀掺杂石英玻璃的制备方法，Nd3+均匀掺杂仅可达0.8moL％；公开号为CN106495470A的专利技术专利公开了钕镱共掺杂石英激光玻璃及其制备方法，采用外部气相沉积工艺制备二氧化硅多孔疏松粉体置于盐容易中实现掺杂，很容易掺杂不均匀，导致材料的耐冲击轻度降低；公开号为CN104016580B的专利技术专利稀土掺杂石英玻璃棒的制备方法采用将多孔玻璃粉浸渍于稀土离子和共掺杂离子的混合溶液中浸为30～60分钟来实现稀土的掺杂，掺杂的均一性也很难保证。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有的Nd3+掺杂的石英玻璃中Nd3+的掺杂浓度较低导致其光谱性低的缺陷，提供一种钕掺杂激光器用石英玻璃的制备工艺。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下的技术方案：一种钕掺杂激光器用石英玻璃的制备工艺，包括以下步骤：一)、溶胶的制备用六水合氯化钕、六水合氯化铝、纳米二氧化钛、六水合氯化钇、硅醇盐、有机溶剂和水作为原料，其掺杂成分范围为：Nd3+:0.5～1.2mol％、Al3+:0.4～6mol％、Ti4+：0～3mol％、Y3+:0～0.8mol％，余量为Si4+；将硅醇盐、水和有机溶剂混合均匀后依次加入六水合氯化钕、六水合氯化铝、纳米二氧化钛、六水合氯化钇，搅拌均匀调节pH至适当范围，优选pH为7～8，然后放入滚筒式搅拌机内，搅拌2～5小时后得到溶胶；优选的，硅醇盐：水：有机溶剂的质量比为：1:3.5～8:2～15；二)、滴定喷雾将溶胶加入滴定喷雾器内，通过定量喷雾的形式将溶胶喷入自旋转的石英圆管内，石英管外表面温度加热至1050℃～1160℃，石英管内部温度恒定为780℃～820℃，在高温下通入Cl2气体和氧气进行提纯及溶胶脱水脱碳处理，制备出Al-Ti-Nd-Y或Al-Ti-Nd、Al-Nd-Y、Ti-Nd-Y共掺石英砂粉体；优选的，石英管外表面温度加热至1100℃，石英管内部温度恒定为800℃；三)、将制备的掺杂石英粉加入高频电炉的石墨坩埚内，在氦气作为保护气体的环境下加热至1500～1700℃，使石英粉充分熔融为无气泡的石英玻璃液体，通过坩埚口预置的成型系统将溶液放出，在空气中迅速冷却后得到相应规格的石英棒。进一步的，还包括将所得石英棒放入真空度10-4pa的脱羟炉内进行脱羟处理。对脱羟处理后的石英棒按要求尺寸进行切片、抛光等处理。本专利技术的钕掺杂激光器用石英玻璃的制备工艺将溶胶法与滴定喷雾法相结合，可操作性好，掺杂所需时间较短，已有掺杂工艺，如采用溶胶凝胶法制备，所需时间约3-5天，本方法制备时间仅为6-8小时，极大的缩短了制备时间，提升了工作效率，可实现工业化批量性生产；所得的石英棒中Nd3+离子掺杂浓度高，可达到1.0-3.5wt％，掺杂均匀性好，可达到2*10-4量级；石英棒外径尺寸可突破φ20mm，达到φ30*150mm，Nd3+离子的峰值发射截面>1.5x10～20cm2，熔制工艺成本相对较低，采用高频炉作为熔制设备，可实现工业化批量性生产，替代现有的Nd3+掺杂的磷酸盐玻璃和YAG晶体应用到激光冲击强化设备及激光聚变能源发电方面。具体实施方式以下对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1一种钕掺杂激光器用石英玻璃的制备工艺，包括以下步骤：一)、溶胶的制备用六水合氯化钕、六水合氯化铝、纳米二氧化钛、六水合氯化钇、硅醇盐、有机溶剂和水作为原料，其掺杂成分范围为：Nd3+:0.8mol％、Al3+:2mol％、Ti4+：1mol％、Y3+:0.2mol％，余量为Si4+；将硅醇盐、水和有机溶剂按照质量比为：1:5:10混合均匀后依次加入六水合氯化钕、六水合氯化铝、纳米二氧化钛、六水合氯化钇，搅拌均匀调节pH至7～8，然后放入滚筒式搅拌机内，搅拌2～5小时后得到溶胶；二)、滴定喷雾将溶胶加入滴定喷雾器内，通过定量喷雾的形式将溶胶喷入自旋转的石英圆管内，石英管外表面温度加热至1100℃，石英管内部温度恒定为800℃；在高温下通入Cl2气体和氧气进行提纯及溶胶脱水脱碳处理，制备出Al-Ti-Nd-Y、Al-Ti-Nd、和Ti-Nd-Y共掺石英砂粉体；三)、将制备的掺杂石英粉加入高频电炉的石墨坩埚内，在氦气作为保护气体的环境下加热至1600℃，使石英粉充分熔融为无气泡的石英玻璃液体，通过坩埚口预置的成型系统将溶液放出，在空气中迅速冷却后得到相应规格的石英棒。将所得石英棒放入真空度10-4pa的脱羟炉内进行脱羟处理，对脱羟处理后的石英棒按要求尺寸进行切片、抛光等处理。实施例2一种钕掺杂激光器用石英玻璃的制备工艺，包括以下步骤：一)、溶胶的制备用六水合氯化钕、六水合氯化铝、纳米二氧化钛、六水合氯化钇、硅醇盐、有机溶剂和水作为原料，其掺杂成分范围为：Nd3+:1.2mol％、Al3+:6mol％、Ti4+：3mol％，余量为Si4+；按照硅醇盐：水：有机溶剂的质量比为：1:3.5:15；将硅醇盐、水和有机溶剂混合均匀后依次加入六水合氯化钕、六水合氯化铝、纳米二氧化钛、六水合氯化钇，搅拌均匀调节pH至7～8，然后放入滚筒式搅拌机内，搅拌2～5小时后得到溶胶；二)、滴定喷雾将溶胶加入滴定喷雾器内，通过定量喷雾的形式将溶胶喷入自旋转的石英圆管内，石英管外表面温度加热至1050℃，石英管内部温度恒定为780℃，在高温下通入Cl2气体和氧气进行提纯及溶胶脱水脱碳处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钕掺杂激光器用石英玻璃的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：一)、溶胶的制备用六水合氯化钕、六水合氯化铝、纳米二氧化钛、六水合氯化钇、硅醇盐、有机溶剂和水作为原料，其掺杂成分范围为：Nd3+:0.5～1.2mol％、Al3+:0.4～6mol％、Ti4+：0～3mol％、Y3+:0～0.8mol％，余量为Si4+；将硅醇盐、水和有机溶剂混合均匀后依次加入六水合氯化钕、六水合氯化铝、纳米二氧化钛、六水合氯化钇，搅拌均匀调节pH至适当范围，然后放入滚筒式搅拌机内，搅拌2～5小时后得到溶胶；二)、滴定喷雾将溶胶加入滴定喷雾器内，通过定量喷雾的形式将溶胶喷入自旋转的石英圆管内，石英管外表面温度加热至1050℃～1160℃，石英管内部温度恒定为780℃～820℃，在高温下通入Cl2气体和氧气进行提纯及溶胶脱水脱碳处理，制备出Al‑Ti‑Nd‑Y或Al‑Ti‑Nd、Al‑Nd‑Y、Ti‑Nd‑Y共掺石英砂粉体；三)、钕掺杂石英棒制备将制备的掺杂石英粉加入高频电炉的石墨坩埚内，在氦气作为保护气体的环境下加热至1500～1700℃，使石英粉充分熔融为无气泡的石英玻璃液体，通过坩埚口预置的成型系统将溶液放出，在空气中迅速冷却后得到相应规格的石英棒。...

【技术特征摘要】
1.一种钕掺杂激光器用石英玻璃的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：一)、溶胶的制备用六水合氯化钕、六水合氯化铝、纳米二氧化钛、六水合氯化钇、硅醇盐、有机溶剂和水作为原料，其掺杂成分范围为：Nd3+:0.5～1.2mol％、Al3+:0.4～6mol％、Ti4+：0～3mol％、Y3+:0～0.8mol％，余量为Si4+；将硅醇盐、水和有机溶剂混合均匀后依次加入六水合氯化钕、六水合氯化铝、纳米二氧化钛、六水合氯化钇，搅拌均匀调节pH至适当范围，然后放入滚筒式搅拌机内，搅拌2～5小时后得到溶胶；二)、滴定喷雾将溶胶加入滴定喷雾器内，通过定量喷雾的形式将溶胶喷入自旋转的石英圆管内，石英管外表面温度加热至1050℃～1160℃，石英管内部温度恒定为780℃～820℃，在高温下通入Cl2气体和氧气进行提纯及溶胶脱水脱碳处理，制备出Al-Ti-Nd-Y或Al-Ti-Nd、Al-Nd-Y、Ti-Nd...

【专利技术属性】
技术研发人员：段玉伟，韩凯，段其九，王世凯，
申请(专利权)人：江苏圣达石英制品有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32