專利名稱：低非線性折射率磷酸鹽法拉第旋光玻璃的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于法拉第旋轉(zhuǎn)器的低非線性折射率磷酸鹽法拉第旋光玻璃，特別是涉及高Tb2O3含量的旋光玻璃。而且是具有大的費(fèi)爾德(Verdet)常數(shù)、小的非線性折射率(n2)，能制成大尺寸高均勻制品的旋光玻璃。也就是涉及一種具有較大的法拉第效應(yīng)，用于制造法拉第旋轉(zhuǎn)器的玻璃材料。
背景技術(shù)：
作為法拉第旋轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)中通直流電流的線圈在旋光材料中產(chǎn)生一個(gè)縱向磁場(chǎng)、當(dāng)線偏振光通過時(shí)，發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角為θ分(min)θ＝VLH其中，L為旋光材料的長(zhǎng)度(cm)，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為奧斯特(Oe)，V為旋光材料的固有常數(shù)，稱費(fèi)爾德(Verdet)常數(shù)。Verdet常數(shù)為旋光材料的一個(gè)基本性能。通過選擇不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度H和長(zhǎng)度L，可實(shí)現(xiàn)不同的角度偏轉(zhuǎn)，制成磁光開關(guān)、磁光隔離器?；蛲ㄟ^改變電流進(jìn)行磁場(chǎng)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)光的調(diào)制，制成磁光調(diào)制器。若把旋光材料置于磁場(chǎng)附近，或有電流通過的導(dǎo)線附近時(shí)，通過測(cè)量偏振面的偏轉(zhuǎn)角，可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度或電流的測(cè)定。
當(dāng)旋光材料用于激光領(lǐng)域時(shí)，強(qiáng)光的作用下，材料的折射率n隨光強(qiáng)變化。式中n2為非線性折射率，E為光的電場(chǎng)強(qiáng)度。
n＝n0+n2(E)2折射率變化將引起光束波面畸變和自聚焦現(xiàn)象，影響光束質(zhì)量。希望降低旋光玻璃的n2值。上式中n0為普通光線下的折射率。
現(xiàn)有磁光材料包括玻璃和晶體二類。玻璃由于其光學(xué)均勻性好、透過波長(zhǎng)范圍廣、吸收損耗低、易獲得大尺寸成品而獲得應(yīng)用。如上述用這種玻璃制成的器件包括磁光開關(guān)、磁光調(diào)制器、磁光隔離器和各種磁光傳感器。衡量法拉第旋光玻璃的性能費(fèi)爾德(Verdet)常數(shù)是一個(gè)重要的指標(biāo)，用V表示，即單位磁場(chǎng)強(qiáng)度下每單位光程所引起的偏振面旋轉(zhuǎn)角度，單位為分/奧斯特.厘米(min/Oe.cm)或R/T.m。要求旋光玻璃具有大的Verdet常數(shù)，以產(chǎn)生較大的偏轉(zhuǎn)，在一定的使用波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高透過、低損耗。在先技術(shù)中的法拉第旋光玻璃都朝著增大Verdet常數(shù)的方向努力。如蔣亞絲等人提供的(參見“High Verdet constant Faraday rotator glasses”(高Verdet常數(shù)法拉第旋光玻璃)，SPIE1761卷，268頁，1992)，在與激光相關(guān)的應(yīng)用中，高強(qiáng)度激光可引起材料折射率的變化，出現(xiàn)光束質(zhì)量劣化或自聚焦，降低n2可避免這些現(xiàn)象。因此要求法拉第旋光玻璃是高的費(fèi)爾德(Verdet)常數(shù)、低的非線性折射率n2，或者是高的V/n2。
高費(fèi)爾德(Verdet)常數(shù)法拉第旋光玻璃必需含有大量順磁稀土離子，Ce3+、Pr3+、Tb3+或Dy3+離子均可產(chǎn)生大的Verdet常數(shù)。Pr3+和Dy3+在可見和紅外區(qū)出現(xiàn)吸收帶，具有實(shí)用意義的為含大量Ce3+和Tb3+的玻璃。含鈰(Ce3+)的玻璃Verdet常數(shù)較小，而且在制造過程中出現(xiàn)價(jià)態(tài)變化，形成對(duì)Verdet沒有貢獻(xiàn)、短波長(zhǎng)區(qū)域產(chǎn)生吸收的Ce4+。(參見S.Hirota等人，“法拉第旋轉(zhuǎn)元件玻璃”，USP 4,168,176，Sep.18，1979)。
在先技術(shù)中含Tb3+玻璃是采用Tb2O3-SiO2系統(tǒng)(參見C.Robinson等人，“含稀土的鋁硅酸鹽法拉第旋光玻璃”，USP 3,484,152，Dec.16，1969；I.Tajima等人，“法拉第旋光玻璃”，USP 3,971,723，Jul.27，1976)，這種玻璃的n2大。而且高Tb2O3含量玻璃的玻璃形成穩(wěn)定性差，必須引入其它玻璃氧化物和中間體氧化物，少量SiO2、B2O3和Al2O3的引入是必要的。
高Tb2O3含量玻璃的熔化溫度高，熔化困難；高溫下P2O5揮發(fā)，產(chǎn)生熔體組成的不均勻，加入少量堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物將使玻璃熔化、澄清溫度下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為獲得具有高V值，低n2和高V/n2的含大量三價(jià)鋱離子(Tb3+)的磷酸鹽法拉第旋光玻璃。將使本發(fā)明的旋光玻璃同時(shí)具有可見區(qū)和近紅外透明，即可使用于520-1500nm波段。
本發(fā)明的法拉第旋光玻璃是以Tb2O3和P2O5為基礎(chǔ)的磷酸鹽旋光玻璃，組成中包含Tb2O3、P2O5、B2O3、Al2O3、R2O(堿金屬化合物)、RO(堿土金屬化合物)及SiO2，具體的組成按摩爾百分比(mol％)為Tb2O317-26％SiO20-6％P2O570-80％R2O(Na2O+K2O) 0-6％
Al2O30-6％RO(BaO) 0-6％B2O30-6％Sb2O3或As2O30.1-0.8％或Sb2O3+As2O3Tb2O3為玻璃的基本組成，其含量決定了玻璃Verdet常數(shù)的數(shù)值。Tb2O3含量少于17％時(shí)，玻璃的Verdet常數(shù)太低；Tb2O3含量大于26％時(shí)，玻璃不穩(wěn)定，難以制成光學(xué)均勻的玻璃。
P2O5是玻璃的形成氧化物，當(dāng)P2O5含量小于70％時(shí)，玻璃不穩(wěn)定；大于80％時(shí)，玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性也變差，玻璃不具有實(shí)用價(jià)值。
少量引入Al2O3、B2O3、SiO2均能增加高Tb2O3玻璃的玻璃穩(wěn)定性。超過6％時(shí)，將增加玻璃的n2。
R2O(Na2O+K2O)、RO(BaO+SrO)可降低玻璃的熔化溫度。當(dāng)Na2O+K2O大于6％或BaO+SrO大于6％時(shí)，玻璃形成的穩(wěn)定性變差。
Tb離子在高溫下大部分處于三價(jià)，要防止部分Tb離子形成四價(jià)而使玻璃變黃，影響短波區(qū)的透過。引入Sb2O3，或As2O3或Sb2O3+As2O3可使Tb4+還原為Tb3+，改善玻璃在近紫外區(qū)的透過率。Sb2O3、As2O3或Sb2O3+As2O3大于0.8％將增加玻璃的n2。
與在先技術(shù)比，本發(fā)明的旋光玻璃具有較高的Verdet常數(shù)、低的n2(本發(fā)明的n2小于1.44，比在先技術(shù)中最低的n2＝1.59還要低)、具有較大的V/n2比值、在可見區(qū)及近紅外(520～1500nm)透明、玻璃穩(wěn)定性好、光學(xué)均勻性好、可獲得大尺寸均勻制品等特點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的玻璃組成、Verdet常數(shù)和V/n2列于表1。
按照表1中所列的本發(fā)明的玻璃組成制備配合料，所用的原料分別為Tb4O7、P2O5或H3PO3、Al(PO3)3或Al(OH)3、H3BO3、Sb2O3、As2O3，K2O、Na2O、BaO、SrO可用相應(yīng)的硝酸鹽或碳酸鹽引入。原料經(jīng)混合后加入石英坩堝中，在1300-1350℃溫度下熔化、澄清，熔化或澄清時(shí)間取決于坩堝大小。熔化好的玻璃轉(zhuǎn)入鉑坩堝中，用陶瓷或鉑攪拌器進(jìn)行攪拌，逐漸降低溫度，在1200-1300℃澆注入預(yù)熱的模子中，玻璃硬化后轉(zhuǎn)入退火爐中退火，獲得光學(xué)均勻的旋光玻璃成品。
從表1中所列的11個(gè)實(shí)施例中，所獲得具有較高的V常數(shù)、低的非線性折射率n2和較高的V/n2，充分證明了本發(fā)明的顯著的進(jìn)步。
表1玻璃組成，Verdet常數(shù)、n2和V/n2


權(quán)利要求
1.一種低非線性折射率磷酸鹽法拉第旋光玻璃，是含有Tb3+的旋光玻璃，其特征在于是以Tb2O3和P2O5為基礎(chǔ)的磷酸鹽旋光玻璃，具體的組成按摩爾百分比(mol％)，含有17-26％的Tb2O3，70-80％的P2O5，0-6％的Al2O3，0-6％的B2O3，0-6％的SiO2，0-6％的Na2O加K2O，0-6％的BaO，0.1-0.8％的Sb2O3，或者0.1-0.8％的AS2O3，或者0.1-0.8％的Sb2O3加AS2O3。
全文摘要
一種低非線性折射率磷酸鹽法拉第旋光玻璃,主要用于法拉第旋轉(zhuǎn)器。是含有大量Tb
文檔編號(hào)C03C3/17GK1342617SQ0112691
公開日2002年4月3日 申請(qǐng)日期2001年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月28日
發(fā)明者蔣亞絲, 周蓓明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所