透红外含碲氟铝基玻璃的激光损伤阈值

θ g
/
℃
θ x
/
℃
θ m
/℃
Δθ/ ℃
H ′r
F1
430
544
749
114
0. 556
F2
428
555
730
127
0. 726
F3
428
568
713
140
0. 966
3 收稿日期 : 2005203207; 修订日期 : 2005206213 作者简介 :袁新强 (1976—) ,男 ,湖北石首人 ,博士研究生 ,主要从事透红外大尺寸氧氟化玻璃的研究 。
282 0 nm 附近出现一个明显的吸收峰 。引入氧化物后 ,在 4. 6μm 附近出现一个小的羟基吸收峰 [6 ] 。虽然 DF
激光在两个羟基吸收峰区域没有对应强光谱 ,但这两个峰引起 3～5 μm 工作波段范围的透过率降低 ,使玻璃
对 DF激光的吸收系数增加 。也就是说 ,羟基的存在不利于材料的抗激光辐照性能 。
玻璃的吸收系数 α的近似计算式 [ 9 ]为
α = ( 1 /L ) ln ( T0 / T)
(1)
式中 : L 为样品厚度 ; T0 取图 2中透过率最高处 (2
500 nm )的透过率 ; T 为透过率 。利用 ( 1 )式 ,得
到玻璃在中红外区的吸收曲线图如 4所示 。参考
文献 [ 10 ]报道了 DF激光光谱 (对应的谱线位置
氟铝酸盐玻璃的透过范围可从紫外 (0. 25μm )到中红外 (7μm ) ,而且透过率高 ,同时具有折射率低 、阿贝 数大 、非线性折射率小和化学稳定性好等优点 。这种玻璃可作为红外激光器的窗口材料 、红外仪器和设备的窗 罩或防护材料 ,以及多光谱光学仪器的光学元件等 [1 ] 。氟化物玻璃具有低的热透镜效应 ,也引起了人们广泛 的关注 [2 ] 。氟铝酸盐玻璃的缺点是相对低的玻璃形成能力 ,制备过程中的析晶问题阻碍其在各种光学器件中 的应用 。曹国喜等在氟铝酸盐玻璃中引入偏磷酸盐后 ,成玻璃性能得到很大提高 ,但由于 P—O 键振动吸收 , 使玻璃在 4. 6μm 附近产生强烈吸收峰 ,影响了玻璃的透红外性能 [3 ] 。本工作通过在氟铝组分中引入 TeO2 ,提 高了成玻璃性能 ,同时研究了改进后玻璃的红外光谱和激光损伤阈值 ,简单探讨了激光对玻璃的破坏机理 。
1
F2
2
F2
3
F2
421
F2
422
F2
5
F3
1. 91 8. 41 33. 63 14. 95 14. 95 10. 98
4
no damage
10
no damage
130
dam age
80
no damage
130
c rack
18
damage on the surface
3 讨 论
氟铝酸盐玻璃无论在由熔体冷却或再加热过程中都有很强的析晶倾向 ,特别是在制备大块玻璃时很难得 到无可见析晶的样品 。如果加速冷却 ,又极易引起制品开裂 ,仅仅在氟化物范围内进行调整很难使玻璃抗失透
2 结果
2. 1 玻璃的热稳定性能
在氟铝酸盐玻璃中加入少量的氧化碲可以改善玻璃
形成能力 。利用差热分析 (DTA ) ,得到玻璃的特征温度
如表
1
所示
。表中
θ g
为玻璃转变ight path of damage threshold measurement 图 1 破坏阈值测试光路图
玻璃表面暴露在空气中易吸附空气中的杂质水蒸气等即使在理想无缺陷的光学元件表面上也吸附一层510nm厚的水层时玻璃基质含较多tefo3多面体成分使化学稳定性降低材料表面被空气中水蒸气腐蚀表面吸收系数上升在强激光作用下致使玻璃表面破坏
第 17卷 第 10期 2005年 10月
强激光与粒子束
H IGH POW ER LASER AND PARTICLE BEAM S
2. 4 破坏阈值 实验 1, 2, 3, 5的辐照激光脉冲时间为 1 s,实验 4为 2 s, 421为截取 1 s末的实验数据 , 422为截取 2 s末的 实验数据 。实验结果见表 3。实验 4中 , F2样品在激光辐照 1 s以后才被破坏 ,可以认为该玻璃的破坏阈值约 等于此时对应的激光功率密度 14. 95 kW / cm2 。文献 [ 4 ]报道了氟铝酸盐玻璃 ( F1)的 DF激光损伤阈值为 10168 kW / cm2 。含碲的氟铝酸盐玻璃改善成玻璃性能 ,在实验室中能获得光学质量更好的玻璃 ,是导致 F2比 F1有更高损伤阈值的主要原因 。图 3为实验 3中激光功率密度为 33. 63 kW ·cm - 2时 ,氧氟化物玻璃被破坏 的形貌 。破坏呈丝状特征 ,破坏点玻璃表面完好 ,中心出现熔融状空心 。
Vol. 17, No. 10 Oct. , 2005
文章编号 : 100124322 (2005) 1021493204
透红外含碲氟铝基玻璃的激光损伤阈值3
袁新强 1, 2 , 范有余 1 , 冯际田 1 , 胡和方 1, 2
( 1. 中国科学院 上海光学精密机械研究所 , 上海 201800; 2. 中国科学院 研究生院 , 北京 100039)
表 3 几种玻璃的激光损伤阈值测试结果 Table 3 Exper im en ta l results of damage threshold of gla sses
num be r
samp le
intensity/ ( kW ·cm - 2 )
temperature rise / ℃
re su lt
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第 10期
袁新强等 : 透红外含碲氟铝基玻璃的激光损伤阈值
1495
能力得到明显改进 ,因为 [A lF6 ]多面体构成的网络结合力较弱的本质决定了氟铝酸盐玻璃具有较弱的抗失透 能力 。当玻璃中同时存在氧阴离子和氟阴离子时 ,系统在析晶过程中由于不同离子之间的竞争 ,即所谓的“混
合离子 ”效应 ,使玻璃形成能力得到改善 。 TeO2 2TeF4 二元系统在冷却过程中主要形成 Te2 O3 F2 和 TeOF2 两种
晶相 [5 ] ,当前玻璃可能也存在类似的氧氟化物结构 ,由于其相对低的熔点 ,与氟化物形成低共熔的多元体系 ,
使得玻璃中引入氧化碲后 ,θm 下降 。同时 A lF3 和 TeO2 均是玻璃形成体 ,在熔体冷却过程中 ,可能存在铝离子 和碲离子对氧离子的竞争 ,客观上也有利于提高抗析晶性能 。
式 ,计算得到该谱线对应的温升为 2. 83 ℃。根据这种方法 ,计算的 3 800～4 160 nm 之间各谱线产生的温升列
于表 5。
表 5 各谱线对应的温升 (功率密度为 14. 95 kW ·cm - 2 )
Table 5 Tem pera ture r ise of d ifferen t spectra ( power in ten sity: 14. 95 kW ·cm - 2 )
氟铝酸盐玻璃主要以 [A lFx ]多面体为网络结构 ,由于 A lF3 低的声子能量 ( 680 cm - 1 ) ,使得该材料具有优 良的红外透过性能 ,截止波长大于 8μm。 F2, F3引入声子能量比 A lF3 稍高的 TeO2 (710 cm - 1 ) ,各种基团的相 互作用产生的多声子吸收 ,使截止波长向短波方向移动 。由于玻璃基质中含有少量残留水 ,使得透过曲线在
和相对强度如图 4所示 ) 。
当光通过透明介质时 ,由于材料的吸收 ,引起
的玻璃温升可以简单表示为
Δθ = αI / (ρcp )
(2)
式中 :Δθ表示温升 ; I为激光的能量密度 (辐照时
Fig. 4 M id2infrared absorp tion spectrum of F2 glass and spectra of DF laser
1 实验
按摩尔组成 35A lF3 ·15YF3 ·20CaF2 ·10M gF2 ·10SrF2 ·10B aF2 ·xTeO2 ( x = 0, 15, 30,分别对应于 F1, F2, F3)配制 200 g原料 ,在铂坩埚中 800～1 000 ℃下直接熔化 ,浇注 、退火 、抛光 ,玻璃待测 。 选用工作于 3. 8 μm 附近的 DF激光器对玻璃进行 耐强光破坏实验 。实验中 ,通过凸透镜调节光斑的大小 和能量密度 ,用热像仪监测温度变化 ,用一块表面粗糙的 铁板吸收透射光 ,实验光路如图 1所示 。
表 2 三块样品的折射率和阿贝数 Table 2 Refractive index and Abbe va lue of three sam ples
nc
nd
nf
ν
F1
1. 424 3
1. 426 1
1. 428 8
93. 76
F2
1. 457 4
1. 459 1
1. 463 1
81. 45
F3
1. 480 3
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
1494
强激光与粒子束
第 17卷
引入 TeO2 后的玻璃 ,Δθ增加 26 ℃, H′r从 0. 556增加到 0. 966,成玻璃能力明显提高 。 2. 2 玻璃的折射率 表 2是三种玻璃在标准光源下测得的折射率数据 。表中 ν表示玻璃的阿贝数 , 计算公式为 ν= ( nd - 1) / ( nf - nc ) , nd , nf , nc 分别为波长在 587. 56, 486. 56, 656. 27 nm 处对应的折射率 。随氧化碲含量增加 ,玻璃的 折射率增加 ,阿贝数减小 。
摘 要 : 在氟铝酸盐玻璃组分中加入适量声子能量低的重金属氧化物 TeO2 ,得到一种新的氧氟化物玻 璃 。该材料具有良好的成玻璃性能 ,适合制作大尺寸红外窗口镜 。研究了 TeO2 含量对玻璃特征温度 、阿贝数 和红外透过性能的影响 。同时测试了这种玻璃的抗 DF激光能力 ,结果表明 : TeO2 含量为 15%的玻璃 , DF激 光破坏阈值达 14. 95 kW ·cm - 2。分析显示 ,由于玻璃基质的多声子吸收 ,对激光能量的吸收而引起的热冲击 是导致玻璃破坏的主要原因 。进一步降低玻璃中水分 ,可以提高玻璃抗激光破坏性能 。 关键词 : 透红外玻璃 ; 氟化物玻璃 ; 破坏阈值 ; DF激光器 中图分类号 : TQ171 文献标识码 : A
玻璃表面暴露在空气中 ,易吸附空气中的杂质 、水蒸气等 ,即使在理想 、无缺陷的光学元件表面上也吸附一
层 5～10 nm 厚的水层 [ 7 ] 。水对激光工作介质为 DF (波长 3. 8μm )的吸收系数达到 129 cm - 1 [ 8 ] 。当 x达到 30
时 ,玻璃基质含较多 [ Te ( F, O ) 3 ]多面体成分 ,使化学稳定性降低 ,材料表面被空气中水蒸气腐蚀 ,表面吸收系 数上升 ,在强激光作用下 ,致使玻璃表面破坏 。
图 4 F2玻璃在中红外波段的吸收曲线和 DF激光光谱
间为 1 s时 ,其值等于对应的功率密度 ) ;ρ为材料密度 ; cp 为材料的质量定压热容 。
样品 F2的密度为 3. 8 g·cm - 3 ; cp 取 0. 6 J / ( g·K) 。对激光能量实行加权平均 ,最强谱线 3 965 nm 处对 应激光强度 I数值上等于功率密度的 1 /7. 5,吸收系数 α取图 4中谱线对应的吸收系数 0. 003 5 cm - 1 。由 ( 2)
1. 482 4
1. 487 3
68. 9
2. 3 玻璃的红外光谱分析 图 2为 F1和 F2氧氟化物玻璃在 2 500～8 000 nm 波段范围的透过曲线 。图 2表明 ,引入氧化碲后 ,红外 截止蓝移 。受其影响 , F2样品玻璃的透过率从 4 000 nm 开始下降较 F1更显著 。玻璃在 2 800 nm 处存在一个 OH 基吸收峰 。材料的吸收特性对其抗激光能力有决定作用 。
晶温度 ,θm 为玻璃的熔化温度 ,Δθ=θx
-
θ g
,
H
′r =
(θx
-
θ g
)
/ (θl
-
θ x
)
,θl 可用熔点温度
θ m
代替
。Δθ与
H ′r都
是玻璃形成能力的热力学判据 ,Δθ或 H′r越大 ,成玻璃性能越好 。
表 1 F1, F2与 F3玻璃的特征温度
Table 1 Character istic tem pera tures of the sam ples F1, F2 and F3