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丹麦奥尔堡大学岳远征AOM:热处理策略提升微晶玻璃的光透过率和发光性能

日期: 2022-06-01
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来源:X-MOL


稀土离子掺杂的透明氟氧化物微晶玻璃被认为是实现光放大、多色显示、固态(微型)激光、和无接触测温功能非常有前景的光学材料。它的传统制备方法是通过热处理前体玻璃诱导具有低声子能量的氟化物微晶析出并嵌入在氧化物玻璃基质中。因此,它可以看作是一种含有氟化物微晶和氧化物玻璃基质的复合多相材料。然而,由于第二相(氟化物微晶)对光的散射作用,传统微晶玻璃的透光度通常会随着氟化物微晶尺寸和含量的增加而逐渐降低,这极大地限制了其在高性能激光增益光学材料领域的应用。为了解决这一问题,我们首先介绍一下制备高透明度的氟氧化物微晶玻璃的两个必要条件: 1,严格控制氟氧化物微晶玻璃中的氟化物晶体的尺寸(一般<50 nm)以降低微晶对光的散射; 2,在保证大尺寸高含量氟化物微晶的同时降低晶相和剩余玻璃相的折射率差(<0.01)来降低散射作用。目前,大多数的研究主要集中在第一个条件的控制,也就是说,虽然获得了稀土离子掺杂的含有小尺寸氟化物微晶的玻璃,但是由于微晶含量较低,仍不能实现高发光性能。显然,第二个条件对于高发光效率的实现至关重要。

近日,丹麦奥尔堡大学岳远征教授团队联合昆明理工大学邱建备教授,齐鲁工业大学张艳飞教授,上海光机所任进军教授以及北德克萨斯大学杜金成教授团队等通过设计化学组分及有效控制热处理过程成功开发了一种新型的含有花状微米级和球形纳米级Ba2LaF7单晶的透明、高结晶度氟氧化物微晶玻璃。其前驱体玻璃(P-GC)呈半透明状并且含有200nm左右的花状Ba2LaF7单晶。通过精准控制热处理工艺,进而控制花状Ba2LaF7单晶尺寸和球形Ba2LaF7纳米单晶的含量,有效降低了剩余玻璃相的折射率,使其完美匹配了Ba2LaF7晶体相的折射率,因此降低了微晶玻璃的光散射,并提高了光学透过率(图1a)。这一现象与传统氟氧化物微晶玻璃中晶粒尺寸与透光率的关系完全相反。为了揭示这种异常现象的微观结构根源,我们对前驱体玻璃(P-GC)和热处理的P-GC进行了形态、结构及分子动力学模拟分析。研究结果表明热处理后剩余玻璃相中Ba2+和F-消耗以及La3+耗尽以析出Ba2LaF7纳米单晶使其折射率降低(图3),逐渐降低了晶相和剩余玻璃相的折射率差异(图2)。因此,热处理后的P-GC的光学透过率大幅度增加。此外,这种新型微晶玻璃实现了高强度的发光性能(图1b)。这一策略有效地开发了一种新的可用于实现高性能光学应用(例如光纤放大,固态微腔激光,多色显示)的微晶玻璃。该文章以“The Transformation from Translucent into Transparent Rare Earth Ions Doped Oxyfluoride Glass-Ceramics with Enhanced Luminescence”为题发表在国际顶级光学期刊Advanced Optical Materials上。李振财为本文第一作者,邱建备教授和岳远征教授为通讯作者。



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