玻璃不簡單！玩轉新型稀土玻璃
【中鎢在線新聞網-鎢新聞】
稀土在光學玻璃中的應用起始于19世紀末，主要是用CeO2作玻璃的脫色劑，上世紀二十年代后期，摩萊(Morey)開始研究稀土元素氧化物的硼酸鹽玻璃，以后各國都進行了鑭系硼酸鹽光學玻璃的研究。1925年美國莫里(G.N.Morey)開始研究稀土硼酸鹽玻璃，1938年美國柯達公司首次制造出具有高折射率、低色散特性的含鑭光學玻璃，從而擴大了光學玻璃的光學常數范圍。光學玻璃組成中引入較多稀土氧化物的稀土玻璃具有高折射率，低色散的特點，是制造大孔徑、寬視場攝影物鏡、長焦距、變焦距鏡頭以及高倍顯微鏡等不可缺少的光學材料，它對于改善光學儀器特別是照相機物鏡的成像質量和簡化設計有重要意義，因而在國防軍工用光系統的設計中成為關鍵材料。
目前在世界范圍內采用稀土金屬氧化物制得的光學玻璃多達300多種，它們被廣泛地用在航天、航海、軍工、電視電影、天文、地質和照相等方面。國外有許多國家都能夠生產稀土光學玻璃，主要生產國家有日本、美國、德國、俄羅斯、英國、法國等。近20年來，我國對稀土光學玻璃的研究已經取得了不少成果，在硅酸鹽系統、硼酸鹽系統、磷酸鹽系統、鹵化物系統等方面都取得了很大進展。至今中國鑭系光學玻璃的生產能力已超過2500噸/年，居世界首位，標志著我國稀土光學玻璃的先進水平。
稀土激光玻璃
在稀土激光玻璃的制造中，Nd3-離子是最普遍，采用的諧振腔工作物質之一。主要是由于Nd3-離子能引起吸收和發光，它是諧振腔的發光中心，4f-電子在Nd3-離子中某種程度上的隔離作用，是玻璃狀結晶格子對輻射帶的高度與寬度產生影響的原因，也是對能級混合以能級局部分裂產生影視的原因。
自1961年首次使用摻釹的硅酸鹽玻璃獲得脈沖激光，開辟了稀土玻璃激光材料與器件的研究。在玻璃中目前已知可以產生激光的稀土離子有Nd3+、Er3+、Ho3+、Tm3+、Yb3+等。由于稀土玻璃激光材料具有易于制備，利用熱成型和冷加工可制備不同大小尺寸和形狀的玻璃。玻璃組分可在很大的范圍內變化，從而可以改變玻璃對激光長的折射率，并可調節折射率的溫度系數、熱光系數和非線性折射率等光學性質，獲得光學質量和光學均勻性好的激光材料。1963年長春光學精密機械研究所成功地研制出摻釹激光玻璃，并研制出釹玻璃激光器。1964年，開發出的硅酸鹽釹玻璃和磷酸鹽釹玻璃，高增益、高量子效率、低非線性折射率、低損耗系數，機械性質優異，并具有很強的沖擊能力。這些玻璃已成功地應用于我ICF大型激光裝置上，成為除美國、日本、德國和俄羅斯等國之外能制備用于ICF激光釹玻璃的國家。
稀土光纖玻璃
由稀土光纖玻璃制成的光導纖維，在光通訊中發揮重要作用。稀土光纖具有傳光效率高、集光能力強、信息傳遞量大、速度快、分辨率高、抗干擾、耐腐蝕、可彎曲、保密性好、資源豐富、成本低等一系列優點。
自1997年NTT公司首先提出摻Er3+碲酸鹽光纖可用于寬帶放大器以來，碲酸鹽玻璃光纖的實用化進程相當快。NTT公司在1997年報道的摻鉺碲酸鹽光纖的損耗為3dB/m，1998年減小到0.5dB/m，1999年又減小到0.05dB/m，現在損耗為0.02dB/m。之后，有關摻稀土碲酸鹽玻璃光纖的專利申請急劇增加，申請單位涉及日本NTT公司、美國Corning公司、Lucent公司及Bell實驗室等，其中的一個重要原因在于大家都認識到碲酸鹽玻璃光纖在光纖通信和增益帶寬方面的獨特優勢。
2000年日本Asahi公司和日本京都大學首先提出鉍酸鹽玻璃可以用作光纖放大器材料，一年后Asahi公司研制出摻Er3+鉍酸鹽玻璃光纖，他們在研究報告中指出，摻Er3+鉍酸鹽玻璃光纖能在C+L波段同時工作，另外，鉍酸鹽玻璃光纖在強度、防潮和抗裂三個方面明顯優于碲酸鹽和氟化物光纖，且制備成本低。但是有關摻Er3+鉍酸鹽玻璃光纖構成的EDFA在增益平坦、噪聲指數方面的研究還有待進一步深入。
基于氟化物玻璃的低聲子能量以及氟化物光纖成熟的制造技術，摻Tm3+氟化物光纖目前廣泛應用于TDFA或GS-TDFA。這種光纖主要以ZBLAN、ZBLAL、ZBAN等玻璃系統為主。摻Er3+磷酸鹽玻璃光纖與碲酸鹽、鉍酸鹽、氟化物玻璃光纖相比，帶寬并不占優勢，但磷酸鹽玻璃對Er3+離子的溶解度很高，單位長度增益極高。美國Kigre公司利用自己在磷酸鹽激光釹玻璃生產工藝的基礎，研制出摻Er3+磷酸鹽玻璃光纖。在OFC’2001會議上報道了5.1cm光纖長度下獲得15.5dB增益的結果，單位長度增益約為3.0dB/cm，這個數值近期又提高到了5.4dB/cm。
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