光学元件及相关制造方法技术

本发明专利技术涉及一种由材料制成的光学元件(10)，该材料为基体(25)和包含在该基体(25)中的一组颗粒(30)，该材料的SiO

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学元件及相关制造方法本专利技术涉及光学元件。本专利技术还涉及用于制造此类光学元件的方法。光学元件如光纤被用于特别是与电信领域有关的大量应用中。特别地，此类光学元件不仅用于传输光辐射，而且在某些应用中还用于发射、转换或放大光辐射。在这些应用中，构成光学元件的材料通常掺杂有离子，例如稀土离子。于是，所获得的光辐射的波长取决于所使用的掺杂剂的类型，并且它可以在很宽的波长范围内变化。这些光学元件通常由对所用的波长透明的材料如二氧化硅制成。但是，二氧化硅呈现透明的波长范围相对有限，特别是在红外线中。另外，稀土离子难溶于二氧化硅，这限制了发射效率。作为由二氧化硅制成的光学元件的替代，已经提出了由微晶玻璃材料制成的光学元件，以下简称为“微晶玻璃”。微晶玻璃是这样的材料，其包括非晶基体和包含在该基体中的一组晶体颗粒。这些微晶玻璃光学元件特别使得可以考虑使用在二氧化硅中不发光的掺杂剂。但是，已知的微晶玻璃难以使用，以光纤形式使用尤其如是。控制这些微晶玻璃的纳米结构特别困难。因此，由这些微晶玻璃制成的光学元件难以达到由二氧化硅制成的光学元件可达到的波长范围。S.Chenu等人2014年发表于AdvancedOpticalMaterials(高级光学材料)的文章“TuneableNanostructuringofHighlyTransparentZincGallogermanateGlassesandGlass-Ceramics(高度透明的锌镓锗酸盐玻璃和微晶玻璃的可调纳米结构)”公开了首次实现微晶玻璃材料，即其中分布有晶体颗粒的非晶材料(基体)。这些微晶玻璃材料由GeO2基体中的纳米级晶体颗粒ZnGa2O4和/或Zn1+xGa2-2xGexO4构成。还提到了以SiO2基体来生产这些材料的可能性。这些微晶玻璃是通过将玻璃合成而获得，所述玻璃在纳米级分层(相分离)然后(通过热处理)进行结晶，从而得到具有对0.4μm–6μm波长范围的光线透明的特性的微晶玻璃。S.Chenu等人2014年发表在JournalofMaterialChemistry(材料化学期刊)上的的文章“Long-lastingluminescentZnGa2O4:Cr3+transparentglass-ceramics(持久发光的ZnGa2O4:Cr3+透明微晶玻璃)”公开了由ZnGa2O4晶体颗粒处于SiO2基体中而构成的微晶玻璃。这项研究表明，获得了透明(在0.4-4.5μm范围内)并且由包含摩尔分数55％的SiO2的基体和ZnGa2O4晶体颗粒构成的微晶玻璃。此外，这项研究表明ZnGa2O4材料可以使铬(Cr3+)金属离子具有非常长的持续发光时间。金属离子是被嵌入材料中的掺杂剂。这些结果证实了ZnGa2O4材料具有显著的增强掺杂剂(例如此处的金属离子)的发光的特性。确实，这项工作证实了M.Allix等人2013年在文章“ConsiderableImprovementofLong-PersistentLuminescenceinGermaniumandTinSubstitutedZnGa2O4(锗和锡取代的ZnGa2O4的持久发光的极大改善)”(ChemistryofMaterials(材料化学))中发表的实验结果，其涉及由Ge和Sn取代的ZnGa2O4构成的多晶陶瓷(非透明粉末颗粒)。所述ZnGa2O4材料具有以下优点，其具有其中镓离子仅处于八面体位点中的晶体结构，这促进了材料中所嵌入的金属离子(掺杂剂)的发光。然而，由于现有技术的微晶玻璃中GeO2或SiO2含量的摩尔分数不超过60％，因此用这些材料制成的光学元件可达到的光谱范围仍然受到限制。Z.Gao等人2017年发表在ScientificReports(科学报告)上的的文章“SelectivedopingofNi2+inhighlytransparentglass-ceramicscontainingnano-spielsZnGa2O4andZn1+XGa2-2xGexO4forbroadbandnear-infraredfiberamplifiers(用于宽波段近红外光纤放大器的含有纳米颗粒ZnGa2O4和Zn1+XGa2-2xGexO4的高度透明微晶玻璃中Ni2+的选择性掺杂)”公开了类似的微晶玻璃材料，其中基体中的SiO2含量的摩尔分数为51％。Z.Fang等人于2015年在OpticsExpress(光学快报)上发表的文章“Ni2+dopedglassceramicfiberfabricatedbymelt-in-tubemethodandsuccessiveheattreatment(通过管内熔融法和连续热处理制造的掺杂Ni2+的微晶玻璃光纤)”公开了其纤芯由微晶玻璃材料构成的光纤。它由含量为64％摩尔分数的二氧化硅(SiO2)基体和LiGa5O8颗粒构成。基体中较高的SiO2含量可以增大微晶玻璃也就是光纤纤芯的透明度(也就是说，减少了传输损耗)。但是，在LiGa5O8材料(颗粒由其制成)中，镓离子排列在八面体和四面体位点中。这些实现与V.N.Sigaev等人2011年发表在Nanotechnology(纳米技术)上的文章“Nickel-assistedgrowthandselectivedopingofspinel-likegalliumoxidenanocrystalsingermane-silicateglassesforinfraredbroadbandlightemission(用于红外宽波段光发射的锗硅酸盐玻璃中的镍辅助生长和尖晶石状氧化镓纳米晶体的选择性掺杂)”中介绍的那些类似，该文章公开了包含有非晶基体中35％摩尔分数的SiO2以及LiGa5O8和γ-Ga2O4的晶体颗粒的微晶玻璃材料。这些材料不具有仅由八面体位点构成的镓离子晶体环境。因此，这些材料的晶体结构不利于掺杂剂、特别是金属离子的发光。当前的制造方法确实不允许制造包含大于65％摩尔分数的SiO2的微晶玻璃，这就是为什么在现有技术中没有光学元件(例如光纤)能够传输较长波长的光辐射和/或通过金属离子的发光产生足够强以供使用的光辐射的原因。因此，需要一种能够在现有技术的光学元件未覆盖的波长范围内工作的光学元件，例如，当镍离子(处于晶体状态下)被光辐射(例如以980nm发射的来自激光二极管的光)激发时，镍离子(Ni2+)的发光使得可以产生1300nm左右的光辐射，其半峰全宽约为300nm。为此，提出了一种由以下材料制成的光学元件，该材料为基体以及包含在基体中的一组颗粒，该材料的SiO2摩尔分数高于或等于75％，优选地在85％至95％之间，每个颗粒的尺寸小于或等于80纳米，优选小于或等于10纳米。根据特定的实施方式，光学元件具有以下一个或更多个特征，这些特征孤立地或以任何技术上可行的组合来采用：-至少满足以下属性之一：·该材料包含相对于材料的总重量的至少90重量％的根据下式的组合物：(SiO2)x(Ga2O3)a(Oxy1)b(Oxy2)c其中：·Oxy本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学元件(10)，其由第一材料(M1)制成，所述第一材料(M1)包括由第二材料(M2)制成的基体(25)以及由第三材料(M3)制成并包含在所述基体(25)中的一组颗粒(30)，该光学元件特征在于：所述第一材料(M1)的SiO

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180322 FR 18525021.一种光学元件(10)，其由第一材料(M1)制成，所述第一材料(M1)包括由第二材料(M2)制成的基体(25)以及由第三材料(M3)制成并包含在所述基体(25)中的一组颗粒(30)，该光学元件特征在于：所述第一材料(M1)的SiO2摩尔分数高于或等于75％、优选在85％至95％之间，每个颗粒(30)的尺寸小于或等于80纳米、优选小于或等于10纳米，并且其中第一材料(M1)包含相对于第一材料的总重量的至少90重量％的根据下式的组合物：
(SiO2)x(Ga2O3)a(Oxy1)b(Oxy2)c
其中：
○Oxy1表示氧化物，其选自ZnO、MgO、NbO2.5、WO3、NiO、SnO、TiO2、BiO1.5、AgO、CaO、MnO或它们的混合物，优选地选自ZnO、MgO、AgO、BiO1.5或它们的混合物，
○Oxy2表示氧化物，其选自Na2O、K2O或它们的混合物，Oxy2优选表示Na2O，
○x大于75且小于99，特别是小于95，
○a在5至25之间，
○b在1至25之间，
○c在0至5之间，以及
○x、a、b和c满足条件x+a+b+c＝100。


2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第三材料(M3)是ELGa2O4，其中EL表示选自Zn、Mg、Nb、W、Ni、Sn、Ti、Bi、Ag、Ca、Mn的元素或它们的混合物，EL优选地表示Mg、Ca和Zn，并且EL甚至更优选地表示Zn。


3.根据前述权利要求中任一项所述的光学元件，其中，所述第三材料(M3)包含掺杂元素。


4.根据权利要求3所述的光学元件，其中，所述掺杂元素是过渡金属或稀土，所述过渡金属特别为镍。


5.根据前述权利要求之一所述的光学元件，其中，所述第二材料(M2)包括SiO2。


6.根据前述权利要求之一所述的光学元件，其中，所述第一材料是从一种包含粉末的前体获得，所述粉末包括SiO2、Na2O、ZnO和Ga2O3，所述前体中的SiO2的摩尔分数在50％至80％之间，特别是在65％至75％之间。


7.根据前述权利要求之一所述的光学元件，其中，所述第一材料是从一种包含根据下式的粉末的前体而获得的：
(SiO2)x(Ga2O3)a(Oxy1)b(Oxy2)c
其中：
○Oxy1表示氧化物，其选自ZnO、MgO、NbO2....

【专利技术属性】
技术研发人员：达米安·波马雷德，让路易斯·奥古斯特，乔治·亨伯特，马修·艾莉克斯，塞西尔·盖内沃伊，伊曼纽尔·维龙，塞巴斯蒂安·切努，盖勒·德莱齐尔，
申请(专利权)人：法国国家科学研究中心，利摩日大学，
类型：发明
国别省市：法国;FR