稀土法拉第磁光玻璃的制備與性能研究.pdf

1、法拉第磁光玻璃，又稱旋光玻璃。當(dāng)磁光玻璃置于磁場中，偏振光沿著平行于磁力線的方向通過玻璃時，偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)。自然界中存在著一些物體，如水晶，即使不在磁場作用下也存在偏振面旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。由于磁光玻璃具有各向均勻性好、磁光性能優(yōu)異且利于加工等特點(diǎn)，被廣泛用于各種光學(xué)系統(tǒng)中。高Verdet常數(shù)的磁光玻璃被用于光學(xué)隔離器、激光調(diào)制器、磁光開關(guān)和磁光傳感器中。在高功率核聚變激光系統(tǒng)等所有需要避免有害反射光的場合，都需要使用法拉第光旋轉(zhuǎn)器或光隔離器

2、。最早的磁光隔離器用重鉛玻璃，Verdet常數(shù)低，光吸收大；后用中等Verdet常數(shù)的磷酸鈰玻璃；現(xiàn)已毫無例外地使用高性能的鋱摻雜硅酸鹽玻璃。
　　 目前，對磁光玻璃的研究有兩個方向，一是選用何種稀土摻雜，二是選擇合適的基質(zhì)玻璃，進(jìn)而研究如何增大玻璃基質(zhì)中稀土離子的摻雜濃度，提高玻璃的Verdet常數(shù)。但由于高濃度稀土離子在玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出強(qiáng)烈的積聚作用，會破壞玻璃基質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使玻璃成玻困難，或使玻璃的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定

3、性降低。因此，研究法拉第磁光玻璃的稀土離子的選擇、玻璃基質(zhì)及制備工藝的確定和Verdet常數(shù)的主要影響因素具有重要的意義。
　　 本實驗以分析純的氧化鋱(Tb4O7)、氧化鏑(Dy2O3)、硼酸(H3BO3)、氫氧化鋁(Al(OH)3)、氧化硅(SiO2)和磷酸氫二氨((NH4)2HPO4）等為主要原料制備了稀土摻雜Al2O3-B2O3-SiO2(ABS)系統(tǒng)磁光玻璃。探索了高濃度稀土摻雜磁光玻璃的高溫熔制工藝，并且采用差熱分析

4、儀(DSC)、X射線衍射分析儀(XRD)、法拉第效應(yīng)測試儀、V棱鏡折光儀、熱膨脹儀、紫外/可見/近紅外分光光度計(UV/VIS/NIR)等分析測試手段對磁光玻璃的結(jié)構(gòu)、性能及它們之間的規(guī)律進(jìn)行了表征和研究。本文對于稀土摻雜ABS玻璃的主要研究成果有：
　　 (1)物理性能分析表明，稀土摻雜ABS玻璃的Verdet常數(shù)、稀土離子有效濃度、密度、折射率隨稀土摻量的增加而增大，但膨脹系數(shù)隨之降低。Tb2O3單獨(dú)摻雜時最大摻入量為35m

5、ol％，過量的Tb2O3在熔制過程中會發(fā)生團(tuán)聚和沉降，Tb2O3、Dy2O3共同摻雜時，稀土氧化物摻雜量可以進(jìn)一步提高到45mol％，玻璃的Verdet常數(shù)也進(jìn)一步提高。
　　 (2)熱處理前的XRD衍射只有兩個較寬的彌散衍射峰，未出現(xiàn)特征峰，說明稀土摻雜熔融后形成了玻璃相，制成了玻璃。熱處理后，主要析出六方相的TbBO3和偏硼酸鋅ZnB4O7，還有少量六方相的Al3Tb(BO3)4。XRD較寬的彌散衍射峰，正好與TbBO3和Z

6、nB4O7晶體較強(qiáng)的衍射峰對應(yīng)，說明Tb2O3摻雜ABS玻璃的結(jié)構(gòu)與這兩種晶體的結(jié)構(gòu)具有一定程度的相似性。
　　 (3)稀土氧化物含量提高，玻璃的透光率越降低；處于480m吸收峰依然是Tb3﹢的特征峰，而800nm、890nm、1270nm處的吸收峰來自Dy3﹢的電子躍遷；稀土離子的吸收峰的位置不隨摻雜濃度的改變而變化，但吸收峰的強(qiáng)度隨著稀土摻量濃度的增加而增強(qiáng)；由于Dy3﹢在近紅外區(qū)存在較多的吸收峰，Dy2O3的摻量不宜過多。

7、
　　 (4)DSC測試結(jié)果表明，隨著稀土摻雜量的增加，玻璃的特征溫度（Tg、Tc和Tm）呈遞增的趨勢，而析晶參數(shù)β隨之先增大后減小，在稀土摻量為35mol％時出現(xiàn)極值，此時玻璃具有最佳成玻性能和熱穩(wěn)定性。
　　 (5)化學(xué)穩(wěn)定性分析結(jié)果顯示，玻璃基體中引入稀土離子的極化能力越強(qiáng)，玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性越好。稀土摻雜ABS玻璃的抗堿性＞抗水性〉抗酸性，且隨著稀土摻量的增加，玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性先增大后減小，在其摻量為35mol％時