TeO?–BaO–Bi?O?碲酸盐光学玻璃 II. 线性与非线性光学及磁光特性

《Optical Materials》：TeO 2–BaO–Bi 2O 3 tellurite optical glasses II. - Linear and non-linear optical and magneto-optical properties

TeBaBi玻璃系统在可见至中红外波段的光学和磁光性质研究，通过熔融淬火法制备不同成分样品，发现Bi2O3的引入显著提升折射率（1.922-2.084）和非线性折射率（1.63-3.45×10-11 esu）及Verdet常数（26.7-45.3 radT-1m-1），带隙能量3.1-3.6 eV，并通过多线性回归分析验证成分设计对光学性能的调控效果，为精密色散工程和光电器件开发提供新材料基础。

　　TeO?–BaO–Bi?O?（TeBaBi）玻璃是一种在光学材料科学领域备受关注的多组分玻璃体系。这些玻璃因其在可见光到中红外波段的宽光谱透射范围、低声子能量、良好的稀土离子溶解性以及显著的三阶非线性特性而具有广阔的应用前景。此外，它们还表现出优异的线性与非线性折射率以及较高的旋光常数（Verdet常数），这些特性使其成为用于先进光子学应用的理想材料，如光纤、光纤放大器、拉曼放大器以及激光基质材料等。本研究通过传统熔融急冷法在900 °C下制备TeBaBi玻璃，并系统地探讨了其光学和磁光性质，同时对比了其与TeO?–ZnO–BaO玻璃体系的特性差异。

TeO?–BaO–Bi?O?玻璃的组成覆盖了整个玻璃形成能力（GFA）区域，其中TeO?的含量为55%至85 mol.%，BaO为10%至35 mol.%，Bi?O?为5%至15 mol.%。这一范围的选择使得研究人员能够全面研究各组分氧化物之间的相互替代趋势对玻璃性质的影响。研究发现，TeO?和Bi?O?的引入显著提升了玻璃的线性和非线性折射率以及旋光常数，其中Bi?O?的影响更为显著。这表明，Bi?O?在改善玻璃的物理化学性能方面起到了关键作用，而不仅仅是作为结构形成剂。

在光学特性方面，TeBaBi玻璃的线性折射率（n???）范围为1.922至2.084，而非线性折射率（n?）则在1.63×10?11至3.45×10?11 esu之间。这一数值范围显示出TeBaBi玻璃在非线性光学响应方面的潜力，尤其是在光信号处理和光学非线性效应的应用中。此外，Verdet常数的测量结果表明，这些玻璃在磁光效应方面表现出色，其数值范围为26.7至45.3 rad·T?1·m?1。相比之下，硅酸盐玻璃的Verdet常数仅为3.7 rad·T?1·m?1，这使得TeBaBi玻璃在磁光器件的开发中具有显著优势。

在研究过程中，研究人员通过测量折射率和Verdet常数的光谱色散，估算出磁光异常参数（γ）的范围为0.71至0.92。这一参数对于理解磁光响应的机理具有重要意义，尤其是在理论建模方面。磁光异常参数的估算结果表明，TeBaBi玻璃在磁光效应的理论分析中具有较大的应用价值。同时，研究人员还对TeBaBi玻璃与TeO?–ZnO–BaO玻璃体系的特性进行了直接比较。这种比较有助于揭示不同组分氧化物对玻璃性能的具体影响，并为材料设计提供理论依据。

通过多线性回归分析，研究人员对两种玻璃体系的折射率随组成变化的规律进行了系统描述。分析结果显示，两种体系在玻璃形成能力区域内表现出高度的关联性和一致性。这种一致性不仅验证了实验数据的可靠性，也为进一步优化玻璃组成提供了坚实的基础。此外，研究还发现，虽然TeO?的替代通常会导致折射率的降低，但Bi?O?的引入却能够部分提升玻璃的形成能力，并显著增加折射率。这一发现对于开发具有更高折射率和更好玻璃形成能力的新型光学材料具有重要意义。

研究还特别关注了TeBaBi玻璃在光谱范围内的光学特性。实验测量覆盖了从193 nm到30,000 nm的广泛波段，用于光学表征；同时，磁光特性则在350 nm至2500 nm的波段内进行分析。这一全面的光谱研究方法使得研究人员能够更精确地掌握玻璃在不同波长下的光学响应特性。对于光学设备的设计和制造而言，这种特性是极其重要的，因为不同波长的光在材料中的传播行为会受到折射率、吸收系数和非线性效应等因素的影响。

在实际应用方面，TeBaBi玻璃的优异性能使其成为可见光到中红外波段光学器件的理想候选材料。中红外波段在许多领域中具有重要的应用价值，如光谱分析、环境监测、医学成像和安全检测等。TeBaBi玻璃的宽光谱透射范围和良好的光学性能使其能够适用于这些应用场景。此外，由于其较低的合成温度（通常低于1000 °C），TeBaBi玻璃的制备过程相对简便，这也为其大规模生产和实际应用提供了便利。

研究还强调了TeBaBi玻璃在磁光材料中的应用潜力。磁光材料在现代光学技术中扮演着重要角色，尤其是在光学隔离器、磁光调制器和磁光存储器件等领域。TeBaBi玻璃的高Verdet常数意味着其在这些应用中具有更高的灵敏度和响应速度。此外，其非线性光学特性也为其在光学信号处理和光通信技术中的应用提供了新的可能性。

为了更清晰地展示研究结果，研究人员还提供了图示对比，将本研究中制备的TeBaBi玻璃样品与之前其他研究者报告的样品进行了比较。这一对比不仅有助于验证研究数据的可靠性，也为进一步的研究提供了参考。通过图示分析，研究人员发现TeBaBi玻璃的组成变化对其光学和磁光性质产生了显著影响，而这种影响在不同的组成比例下呈现出不同的趋势。

研究还指出，由于TeO?玻璃的制备存在一定的困难，因此通常需要通过引入其他组分来构建多组分体系，以提高玻璃的形成能力。TeBaBi玻璃的制备正是基于这一思路，通过调整TeO?、BaO和Bi?O?的比例，研究人员成功地扩展了其玻璃形成能力区域，并在此基础上深入研究了其光学和磁光性质。这一研究方法不仅提高了材料的性能，也为未来开发新型光学玻璃材料提供了理论支持。

在实验方法方面，研究采用了传统熔融急冷法，这是一种广泛应用于玻璃制备的技术。该方法通过将原料在高温下熔融，然后迅速冷却以防止结晶，从而获得非晶态玻璃。这种方法的优点在于其操作简便、成本较低，并且能够制备出大块的玻璃样品，便于后续的物理和化学性质分析。然而，这种方法也存在一定的局限性，例如对原料纯度的要求较高，以及对冷却速率的精确控制。为了克服这些挑战，研究人员在实验过程中采用了高纯度的原料，并严格控制了熔融和急冷的条件，以确保玻璃样品的质量和性能。

在材料表征方面，研究人员不仅测量了玻璃的光学和磁光性质，还对其结构和热学特性进行了详细分析。这些分析有助于理解玻璃的微观结构与其宏观性能之间的关系。例如，玻璃的结构特征可能影响其折射率、非线性光学响应和磁光效应的强度。通过研究这些特性，研究人员能够更全面地掌握TeBaBi玻璃的性能，并为其在实际应用中的优化提供依据。

此外，研究还探讨了TeBaBi玻璃在不同组成比例下的性能变化。这种系统的研究方法使得研究人员能够明确各组分对玻璃性能的具体贡献，并据此调整玻璃的组成以满足特定的应用需求。例如，通过增加Bi?O?的含量，研究人员可以显著提高玻璃的折射率和磁光效应，而适当减少TeO?的含量则有助于提高玻璃的形成能力。这种平衡的调整对于开发具有特定性能的光学材料至关重要。

总体而言，TeO?–BaO–Bi?O?玻璃的研究不仅拓展了传统光学玻璃的性能边界，还为新型光子材料的开发提供了新的思路。其在可见光到中红外波段的宽光谱透射能力、高折射率、强非线性光学响应以及优异的磁光特性，使其在多个高科技领域中具有广泛的应用前景。未来的研究可以进一步探索这些玻璃在不同应用场景中的具体表现，并通过优化其组成来提升其性能，从而推动光子学技术的发展。