本發(fā)明涉及一種大三階非線性Sr₂CuO₃微晶玻璃材料及其制備方法，屬于非線性光學(xué)材料研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著人們對信息需求的急劇增加，采用具有超快響應(yīng)速度的全光開關(guān)，構(gòu)建全光網(wǎng)絡(luò)已成為必然。全光開關(guān)是基于非線性光學(xué)原理工作的一種光控開關(guān)，在信息轉(zhuǎn)換過程中無需進(jìn)行光—電—光的轉(zhuǎn)換過程，極大地提高了光通訊的速度和效率。評價一種材料是否適用于全光開關(guān)有兩個品質(zhì)因子：W=n₂I/α₀λ和T=βλ/n₂，其中n₂為非線性光學(xué)折射率，I為測試光強(qiáng)，α₀為線性吸收系數(shù)，λ為測試波長,β為非線性吸收系數(shù)，材料必須滿足|W|>>1且|T|<<1才能用于全光開關(guān)。因此，適用于制作全光開關(guān)器件的理想材料應(yīng)具有大的三階非線性折射、小的線性和非線性吸收以及較快的響應(yīng)速度。目前，能夠應(yīng)用于全光開關(guān)的理想材料還比較少，設(shè)計(jì)并制備出具有大的三階非線性折射率、小的線性和非線性吸收以及超快響應(yīng)速度的非線性微晶光學(xué)玻璃材料，漸漸地成為了人們對新材料探索研究的熱點(diǎn)。

微晶玻璃（又稱為玻璃陶瓷）是一種在無機(jī)玻璃基體中均勻鑲嵌了微/納米晶的復(fù)合材料，它綜合了晶體與玻璃材料的優(yōu)點(diǎn)，不僅保持了光學(xué)玻璃的基本特性，同時通過所摻雜物相本身電子結(jié)構(gòu)的特性可以大幅度提高材料的非線性光學(xué)性能，成為制作高速全光開關(guān)的重要的一類候選材料。此外微晶玻璃類似于玻璃材料制備方法簡單、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高的優(yōu)勢將進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用前景。近年來，人們發(fā)現(xiàn)，具有一維電子結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體對于非線性光學(xué)器件來說具有更加特殊的重要性，因?yàn)殡娮雍涂昭ㄔ谙抻蚩臻g的運(yùn)動會產(chǎn)生非常大的光學(xué)非線性，因此，有必要對此進(jìn)行研究，并具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一個目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，而提供一種大三階非線性Sr₂CuO₃微晶玻璃材料，利用非晶態(tài)玻璃優(yōu)異的光學(xué)特性作為基質(zhì)，通過摻雜微米級高純度的強(qiáng)極化率的Sr₂CuO₃物相，大幅度的提高此復(fù)合材料的三階非線性光學(xué)性能。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種大三階非線性Sr₂CuO₃微晶玻璃材料的制備方法，該方法工藝簡單、成本低、易于批量生產(chǎn)，該方法所制備的Sr₂CuO₃微晶玻璃有良好的非線性光學(xué)性能，應(yīng)用于全光開關(guān)，可優(yōu)化全光開關(guān)結(jié)構(gòu)、降低成本、提高全光開關(guān)性能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是包括以下組分：

30~45 mol%PbO、20~35 mol%B₂O₃、15~30 mol%SiO₂、10~25 mol%Bi₂O₃、3~12 mol%K₂O、2~10 wt% Sr₂CuO₃；

該材料中，Sr₂CuO₃為微晶相，PbO-B₂O₃-SiO₂-Bi₂O₃-K₂O為玻璃基體，且微晶相均勻鑲嵌在玻璃基體中。

優(yōu)選設(shè)置是 PbO為34~38 mol %；

B₂O₃為 24~26 mol %；

SiO₂為24~28 mol %；

Bi₂O₃為 16%~17 mol %；

K₂O為 余量。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第二個發(fā)明目的，其技術(shù)方案是一種大三階非線性Sr₂CuO₃微晶玻璃材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）Sr₂CuO₃粉體的燒制：采用高溫固相法，以Sr₂CO₃和CuO為原料充分混合研磨，后將混合料在燒制溫度為900~1200℃、燒制時間為1~3小時的條件下燒結(jié)，待冷卻后搗碎并充分研磨后再次以相同條件燒結(jié)，冷卻直室溫研磨成微米級Sr₂CuO₃粉體備用；

（2）基質(zhì)玻璃粉體的制備：玻璃基質(zhì)組分按30~45 mol%PbO、20~35 mol%B₂O₃、15~30 mol%SiO₂、10~25 mol%Bi₂O₃、3~12 mol%K₂O進(jìn)行摩爾配比，玻璃基質(zhì)組分混合研磨均勻并在高溫條件下融化，并保持熔融狀態(tài)至少2小時得到基質(zhì)玻璃熔體，將基質(zhì)玻璃熔體加入成型模具中，冷卻至室溫得到玻璃基質(zhì)材料，將玻璃基質(zhì)材料研磨成粒徑為微米級的基質(zhì)玻璃粉體備用；

（3）Sr₂CuO₃微晶玻璃的制備：將步驟（1）中制備的Sr₂CuO₃粉體按照2~10 wt%的比例與步驟（2）中的基質(zhì)玻璃粉體混合，在450~650 ℃溫度下燒結(jié)，保溫5~10分鐘后迅速取出放入退火爐中保溫10~15小時，退火溫度保持在300~380℃，退火完成后冷卻，得到Sr₂CuO₃微晶玻璃材料。

進(jìn)一步設(shè)置是所述的步驟（1）在第二次高溫固相燒結(jié)完成后，還重復(fù)進(jìn)行多次以下過程：搗碎并充分研磨后再次以燒制溫度為900~1200℃、燒制時間為1~3小時的條件下高溫固相燒結(jié)。

本發(fā)明所制備的Sr₂CuO₃微晶玻璃的形狀可以是平面、凹面、凸面，并可進(jìn)行、切割、研磨、拋光。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：采用以上材料組分和制備工藝，可以獲得在氧化物玻璃基體中均勻鑲嵌Sr₂CuO₃晶粒的微晶玻璃。該Sr₂CuO₃微晶玻璃材料用Z-scan方法在低能量激光作用下測得其三階非線性極化率達(dá)到4.23×10^-5 esu，大幅度提高了單體材料Sr₂CuO₃的非線性特性，所表現(xiàn)的大三階非線性光學(xué)特性可以作為一種非線性光學(xué)材料，應(yīng)用于高速光開關(guān)、自相調(diào)節(jié)器、自聚焦和散聚焦、光學(xué)相位共軛器件。

本發(fā)明的Sr₂CuO₃微晶玻璃材料制備工藝簡單、成本低、物化性能穩(wěn)定、無毒無污染等突出優(yōu)勢，提高了材料的利用率，可開發(fā)應(yīng)用于全光開關(guān)可優(yōu)化全光開關(guān)的結(jié)構(gòu)、降低成本、提高全光開關(guān)性能。

下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步介紹。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1高純度Sr₂CuO₃相的X射線衍射圖譜；

圖2 為實(shí)施例1微晶玻璃的X射線衍射圖譜；

圖3 為實(shí)施例1微晶玻璃的非線性吸收和非線性折射圖譜。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定，該領(lǐng)域的技術(shù)工程師可根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容對本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。

實(shí)施例1：

首先將分析純的Sr₂CO₃和CuO原料按照摩爾百分比精確稱量并置于瑪瑙研缽中充分混合研磨，倒入剛玉坩堝中，在干燥的氣氛中置于高溫電阻爐，于1050℃，燒制時間為1h。待冷卻后再次置于瑪瑙研缽中搗碎并充分研磨后再次以相同條件燒結(jié)，冷卻制室溫研磨成微米級Sr₂CuO₃粉體備用。同理，基質(zhì)玻璃混合料的制備則是將PbO-B₂O₃-SiO₂-Bi₂O₃-K₂O精準(zhǔn)稱量均勻混合，倒入剛玉坩堝中，在1200 ℃條件下融化，保溫30分鐘融合為玻璃熔體，玻璃熔體到入鑄鐵模中，自然冷卻至室溫得到玻璃基質(zhì)材料，將玻璃基質(zhì)材料研磨成平均粒徑 200~300微米的前驅(qū)體玻璃備用。最后，在前驅(qū)體玻璃料中加入5wt%的Sr₂CuO₃粉再進(jìn)一步研磨1小時后置于坩堝中，隨后放入電阻爐中加熱到 550℃后保溫30分鐘使之熔融，而后，將玻璃熔體取出并快速倒入模具中成形，得到塊狀微晶玻璃；最后將獲得的微晶玻璃放入340℃電阻爐中退火10小時以消除內(nèi)應(yīng)力。將得到的Sr₂CO₃微晶玻璃進(jìn)行X 射線衍射，衍射數(shù)據(jù)（圖2所示）表明了Sr₂CO₃顆粒成功摻雜到基質(zhì)玻璃中。用Z-scan方法在較低激光作用下對該微晶玻璃進(jìn)行非線性吸收（閉孔）和非線性折射（開孔）的測試（如圖3所示），計(jì)算得到該微晶玻璃的極化率為4.23×10^-5 esu，表明該復(fù)合材料表現(xiàn)出大三階非線性特性，可應(yīng)用于高速光開關(guān)、自相調(diào)節(jié)器、自聚焦和散聚焦、光學(xué)相位共軛器件等領(lǐng)域。

本實(shí)施例1的各組分配比為：36 mol%PbO、25 mol%B₂O₃、26 mol%SiO₂、16.5 mol%Bi₂O₃、6.5 mol%K₂O、5.5 wt% Sr₂CuO₃。

其他實(shí)施例

以下實(shí)施例在步驟參考實(shí)施例1之外，其不同之處在于組分的配比和工藝控制參數(shù)不同。

根據(jù)本發(fā)明，各組分的優(yōu)選含量如下 ：

PbO優(yōu)選為30~40%，更優(yōu)選為34~38%。

B₂O₃優(yōu)選為20~30%，更優(yōu)選為22~27%，或更優(yōu)選為24~26%。

SiO₂優(yōu)選為20~30%，更優(yōu)選為24~28%。

Bi₂O₃優(yōu)選為14~22%，更優(yōu)選為15~19%，或更優(yōu)選為15~18%，還更優(yōu)選為16%~17%。

K₂O優(yōu)選為5~9%，更優(yōu)選為6~7%。

另外，步驟（1）中，燒制溫度優(yōu)選1050 ℃，保溫時間優(yōu)選為1小時。

根據(jù)本發(fā)明，步驟（3）中，Sr₂CuO₃與基玻璃質(zhì)量比優(yōu)選1:19。

根據(jù)本發(fā)明，步驟（3）中，熱處理溫度優(yōu)選450~650℃，更優(yōu)選550℃。

根據(jù)本發(fā)明，步驟（3）中，保溫時間優(yōu)選10~60分鐘，更優(yōu)選30分鐘。

根據(jù)本發(fā)明，步驟（3）中，退火溫度優(yōu)選為320~350℃。