中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800
掺镱大模场光子晶体光纤在高峰值功率超快激光放大器中有着重要的应用价值，其研究得到了广泛关注。首先简要介绍了国内外掺镱大模场光子晶体光纤的研究进展，阐述了掺镱大模场光子晶体光纤的基本设计思路，对比说明了保偏型掺镱光子晶体光纤的设计制备方法。重点介绍了近十年来中国科学院上海光学精密机械研究所在掺镱大模场光子晶体光纤方面的研究进展。包括掺镱大模场光子晶体光纤的纤芯折射率大小和均匀性控制、光子晶体光纤微结构控制等关键技术。采用自主研制的四种芯径为40~100 μm的掺镱大模场光子晶体光纤开展了皮秒脉冲激光放大实验。利用40 μm芯径的保偏掺镱光子晶体光纤实现了平均功率为100 W、光束质量因子（M2）小于1.4的稳定输出，偏振消光比为12 dB。利用100 μm芯径的保偏掺镱大模场光子晶体光纤实现了M2小于1.5的高光束质量脉冲放大。上述研究为掺镱大模场光子晶体光纤的国产化应用奠定了基础。
光纤光学 掺镱石英玻璃 大模场光子晶体光纤 皮秒脉冲激光放大 光纤激光
北京理工大学 光电学院 “复杂环境智能感测技术”工信部重点实验室, 北京 100081
熔融石英玻璃因具有耐热性高、热膨胀系数低、绝缘性能好等优点, 广泛应用于航空航天、微光学元件、**等领域, 并对其加工精度和表面质量提出了更高的要求。由于飞秒激光具有“冷加工”的特点, 因此在熔融石英玻璃微纳加工方面展现出独特优势。采用波长为1030nm、重复频率为100kHz、脉宽为290fs的飞秒激光对熔融石英玻璃进行加工, 确定了不同物镜下熔融石英玻璃的损伤阈值, 研究了不同物镜下的激光功率、扫描速度、离焦量、扫描次数对加工线槽的影响, 使用逐层叠加加工的方法在低功率下得到了高深宽比(4∶1)的线槽, 并且提高加工线槽的宽度与深度的可控性, 可以在较薄熔融石英玻璃(200μm)上进行微纳加工。
激光技术 熔融石英玻璃 飞秒激光 微纳加工 损伤阈值 逐层叠加加工 laser techniques fused silica glass femtosecond laser micronano machining damage threshold layer by layer processing
Ⅳ类石英玻璃是一种重要的特种玻璃材料，在光学探测、惯性导航等领域内具有重要作用。光学均匀性是表征光学玻璃结构均匀性的一种重要方法，Ⅳ类石英玻璃的光学均匀性与硅氧网络结构分布一致性密切相关。本文通过四步法光学均匀性测试、紫外-可见-近红外光谱、红外反射光谱等方法，研究了羟基、金属杂质及氧缺陷的径向分布特点和硅氧键键角的径向变化，采用相关性分析研究了各影响因素对样品光学均匀性的影响。结果表明：表示玻璃光学均匀性的波前畸变t0Δn沿玻璃半径先降低后升高；羟基的径向分布整体上与t0Δn的径向变化相反，200 nm处透过率径向变化、硅氧键键角径向变化与t0Δn的径向变化相近；羟基对Ⅳ类石英玻璃光学均匀性的影响较小，金属杂质、氧缺陷及硅氧键键角的径向变化是影响Ⅳ类石英玻璃光学均匀性的主要因素。
Ⅳ类石英玻璃 光学均匀性 径向变化 相关性分析 羟基 氧缺陷 硅氧键键角 type Ⅳ silica glass optical homogeneity radial variation correlation analysis hydroxyl oxygen vacancy silicon-oxygen bond angle
1 武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室, 武汉 430081
2 北京金隅通达耐火技术有限公司, 北京 100085
3 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083
红柱石是铝硅系耐火材料重要的原料之一, 因完全莫来石化后具有莫来石-高硅氧玻璃相相间的结构而表现出优异的抗碱侵蚀性能。然而, 其莫来石化程度与抗碱侵蚀性能之间的关系尚未厘清。为此, 本工作以粒度为3~5 mm的红柱石为研究对象, 在1 450~1 600 ℃下热处理红柱石3 h, 研究了红柱石的莫来石化过程与结构演变, 并采用碱蒸气法研究了抗碱侵蚀行为。结果表明, 随着热处理温度的提高, 红柱石表面及裂纹附近先转变形成莫来石-高硅氧玻璃相结构, 随后莫来石化转变不断向内部发展, 直至完全莫来石化。红柱石莫来石化程度不同决定了其不同的抗碱侵蚀行为。1 450 ℃热处理后的红柱石表面及大裂纹附近形成的莫来石-高硅氧玻璃相复合层较薄, 侵蚀以红柱石与钾蒸气直接反应为主, 抗碱侵蚀性能较差; 1 500 ℃及以上温度热处理的红柱石表面及大裂纹附近形成了一定厚度的莫来石-高硅氧玻璃相复合层, 钾蒸气首先与高硅氧玻璃相反应形成含钾硅酸盐液相, 随后该液相对莫来石相产生侵蚀溶解, 阻止了碱蒸气对莫来石的直接反应侵蚀, 从而使红柱石表现出优良的抗碱侵蚀性能。
红柱石 结构演变 钾蒸气 碱侵蚀 莫来石 高硅氧玻璃相 andalusite microstructural evolution potassium vapor alkali attack mullite high silica glass phase
1 1.中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 绵阳 621900
2 2.中国建筑材料科学研究总院有限公司 绿色建筑材料国家重点实验室, 北京 100024
激光诱导损伤是导致熔石英真空光学元件突发破裂的根本原因。本工作采用神光-Ⅲ原型装置终端光学组件的熔石英真空光学元件制作了标准样品, 统计分析了熔石英玻璃样品表面损伤形貌特征, 探究了激光诱导损伤对熔石英玻璃样品弯曲强度的影响。结果表明: 激光诱导熔石英玻璃损伤点形貌为典型的半椭球体, 损伤点深度随其长度增大呈上升趋势, 深度极限基本不超过2 mm; 损伤点对熔石英玻璃弯曲强度影响非常明显, 含损伤点的样品平均弯曲强度仅为不含损伤点样品平均弯曲强度的41%。随着损伤点长度和深度增大, 熔石英玻璃的弯曲强度总体呈下降趋势, 但当损伤点长度大于15 mm, 弯曲强度下降趋势明显缓和, 损伤点长深比对弯曲强度无明显影响。熔石英玻璃真空窗口光学元件安全设计, 应考虑玻璃弯曲强度离散性及持久应力作用综合影响, 且在损伤点位置处的最大弯曲拉应力不应超过其弯曲强度设计值。
真空窗口光学元件 熔石英玻璃 激光诱导损伤 弯曲强度 安全设计 vacuum window optical element fused silica glass laser-induced damage bending strength safety design
福耀玻璃工业集团股份有限公司, 福清 350301
将非线性非指数方程离散为一系列连续的小温度区间的差分形式, 用差式扫描量热仪(DSC)对升温速率为10 ℃/min、降温速率分别为10、50、100 ℃/min的玻璃粉末样品进行比热实验测试, 基于粒子群算法开发了参数识别工具, 进行TNM模型参数拟合, 获得了玻璃材料结构松弛的4个可调参数, 为进一步研究数值模拟提供了本构参数。
钠钙硅玻璃 结构松弛 热分析 粒子群法 TNM模型 soda-lime-silica glass structural relaxation DSC testing particle swarm optimization method TNM model
1 中国建筑材料科学研究总院,北京 100024
2 国防科技大学前沿交叉学科学院,长沙 410073
石英玻璃相对于金属、晶体、陶瓷等大多数固体材料具有更小的机械振动能量损耗，是许多精密测量器件的首选材料。本文测试对比了四种类型(Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类)石英玻璃的振动能量损耗特性，从材料化学组分和结构缺陷方面分析了石英玻璃本征损耗的影响因素及作用机理。结果表明：Ⅰ类和Ⅱ类石英玻璃的本征损耗显著大于Ⅲ类和Ⅳ类石英玻璃，主要是由金属杂质含量高和气泡等级低造成的；羟基含量不是影响石英玻璃本征损耗的主要因素；表面损耗是石英玻璃器件振动能量损耗的主要来源之一，可以通过湿法刻蚀消除。
石英玻璃 振动能量损耗 内耗 机械品质因数 表面损耗 本征损耗 silica glass mechanical energy loss internal friction mechanical quality factor surface loss intrinsic loss
1 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
2 国科大杭州高等研究院, 杭州 310024
掺镱石英光纤是高功率光纤激光器的核心元件, 其纤芯材料是掺镱石英玻璃。掺镱石英光纤的性能与掺镱石英玻璃纤芯材料的性质密切相关。本文总结了应用溶胶-凝胶法结合高温粉末烧结的方法制备系列Al、P、F、B、Ce共掺杂的掺镱石英玻璃, 以及不同共掺元素对掺镱石英玻璃的光学、光谱及结构的影响等方面的进展, 为优化掺镱石英光纤的激光性能提供了参考, 并指出未来应将重点关注掺镱石英玻璃微观结构与掺镱石英光纤激光性能之间的关联。
掺镱石英玻璃 光学性质 光谱性质 玻璃结构 ytterbium doped silica glass optical properties spectroscopic properties glass structure
1 东华大学纤维材料改性国家重点实验室, 上海 201620
2 先进玻璃制造技术教育部工程研究中心, 上海 201620
3 临沂昊泉硅业科技有限公司, 山东 临沂 276003
高硅氧玻璃纤维应用广泛、性能优异。目前制备高硅氧特种玻璃纤维的主要方法是酸沥滤。酸沥滤法是将玻璃纤维原纱通过酸沥滤, 热处理等工艺制备得到高硅氧玻璃纤维。采用Raman光谱研究SiO2-Na2O二元系玻纤在酸沥滤、热处理工艺制备高硅氧玻璃纤维过程中的纤维结构变化。结果表明: 酸沥滤过程使硅氧四面体的弯曲振动峰和不对称伸缩振动峰向低波数偏移, 且峰强变弱, 主要由于酸沥滤过程提高了纤维的SiO2含量并改变了内部结构。热处理后, 纤维Raman光谱的不对称伸缩振动峰消失, 出现缺陷谱线D1和D2, 且不同热处理温度后纤维的致密度不同, 主要是由于热处理过程中纤维发生的缩合反应导致的。
Raman光谱 高硅氧玻璃纤维 酸沥滤 热处理 Raman spectroscopy high silica glass fiber acid leaching heat treatment
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室，上海 201800
4 中国科学院大学杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
近年来，窄线宽光纤激光器由于在光束合成、引力波探测等领域的重要应用价值而引起国内外研究人员们的广泛关注。然而，受激布里渊散射（SBS）与模式不稳定（TMI）严重限制了窄线宽光纤激光功率的进一步提升。目前，提升窄线宽光纤激光输出功率的方法主要集中于对光纤激光器系统层面的改进和优化。本文从光纤的材料和结构两个方向简要介绍了近年来用于窄线宽光纤激光器和放大器的掺镱石英玻璃光纤领域取得的相关研究成果，并对窄线宽光纤激光技术的未来发展趋势进行了展望。
光纤材料 掺镱石英玻璃 受激布里渊散射 模式不稳定性 激光与光电子学进展
2022, 59(15): 1516011
