激光钕玻璃连续熔炼技术

唐景平，王 标，陈树彬，陈 伟，胡丽丽

(中国科学院 上海光学精密机械研究所，上海 201800)

激光钕玻璃连续熔炼技术

唐景平，王 标，陈树彬，陈 伟，胡丽丽*

(中国科学院 上海光学精密机械研究所，上海 201800)

介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所开展的激光钕玻璃连续熔炼技术，描述了该项技术近年来的研究进展和研究成果。给出了N31激光钕玻璃的连续熔炼流程，介绍了开展的磷酸盐钕玻璃连续熔炼单元技术的模拟，连续熔炼实验线的设计、建设、改造和验证等大量工作。成功完成了除羟基、除铂颗粒、过渡金属杂质离子控制、大尺寸成型和低应力隧道窑退火等一系列关键单元技术，实现了N31钕玻璃的连续熔炼批量制造。实验显示：连续熔炼N31激光钕玻璃的荧光寿命、激光波长吸收损耗、光学均匀性等指标达到了神光装置的使用要求。比较结果显示：连续熔炼钕玻璃的参数一致性和400 nm吸收系数指标均优于坩埚熔炼的激光玻璃；而它的3 333 nm吸收系数和铂颗粒破坏阈值优于美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室报道的连续熔炼LHG-8钕玻璃。

激光玻璃，钕玻璃；连续熔炼，除羟基，除铂颗粒，综述

1 引 言

磷酸盐激光钕玻璃具有优良的光谱物理和增益放大特性，被广泛应用于大型激光装置中[1-3]。为适应美国NIF和法国LMJ激光装置对激光玻璃物理性质、参数一致性和数千片的数量要求[4-5]，由美国和法国政府投资，Shotto和Hoya从20世纪90年代起开展激光钕玻璃的连续熔炼工艺技术研究，经过6年的努力，于2000年试制成功，最终两家公司在美国本土建立了2条磷酸盐激光钕玻璃连续熔炼生产线，2002年美国NIF装置需要的3 072片大尺寸钕玻璃及备片全部完成。磷酸盐激光钕玻璃的连续熔炼研制成果被认为是美国NIF装置建设中取得的7大奇迹之首。他们对这项技术极为保密，其钕玻璃产品研究结果发表在一些公开的杂志上[4-7]，迄今为止却未见到其相关的磷酸盐玻璃连续熔炼装置和工艺技术的报道。

上海光机所在过去几十年工作积累中，形成了以N31玻璃为代表，半连续熔炼技术为核心的包括磷酸盐激光钕玻璃配方、工艺、生产设备和性能检测在内的一系列研究成果。神光III主机装置建设和未来国家专项工程对钕玻璃的需求量急剧增长，半连续熔炼的产能不能满足要求。更为重要的是，为实现激光聚变所需的巨大能量，后续的神光系列装置光束路数多，并且要求每路激光输出的能量和光束质量保持高度一致性。采用坩埚熔炼方法制备的钕玻璃片较难满足其性能要求，必须研究激光钕玻璃连续熔炼的新技术，为国家专项工程的实施做好前期技术准备。

2 N31激光钕玻璃的连续熔炼流程

激光钕玻璃的连续熔炼过程如图1所示，高纯度的粉料混合均匀后24 h不间断地投入熔化池中，这些原料仅含有痕量的过渡金属杂质离子(<10 ppm)。配合料在熔化池中熔化并混合均匀后流入功能池，在功能池中通入氧气和反应性气体以去除玻璃中的残余水分，通过控制铂金坩埚中的氧化-还原气氛去除玻璃中的铂金颗粒。玻璃从功能池流入澄清池，通过高温和使用适当的澄清剂去除玻璃中的气泡。澄清后的玻璃流入均化池，通过搅拌在这里进行充分均匀混合以达到10-6的光学均匀性。均化后的钕玻璃通过铂金管导入成型模具，形成厚约5 cm、宽0.5 m的钕玻璃进入隧道窑，经过隧道窑退火后，钕玻璃从500～600 ℃的高温慢慢冷却到室温，在隧道窑的末端切割成约1 m的钕玻璃片。

图1 激光钕玻璃的连续熔炼过程示意图Fig.1 Schematic representation of laser glass melting systems

3 N31激光钕玻璃连续熔炼技术研究进展

自2005年起，上海光机所启动了N31磷酸盐激光钕玻璃的连续熔炼关键单元技术的前期研究。10年来开展了包括磷酸盐钕玻璃连续熔炼单元技术的模拟、连续熔炼实验线的设计建设和改造、验证并集成连熔关键单元技术、连续熔炼中试线设计建设及实验等工作，获得了批量性能指标符合神光系列装置要求的400 mm口径N31-35钕玻璃连续熔炼玻璃样片，制定了熔制工艺和在线参数检测规范文件。为后续激光钕玻璃的批量制备奠定了基础。N31激光钕玻璃的连续熔炼技术研究进程分为二个阶段：

第一阶段：2005～2011年，主要开展磷酸盐激光钕玻璃连续熔炼关键单元技术的研究和实验线的设计建设和运行[8-9]。

2005年开展理论研究，建立熔窑等关键单元技术的模型；2006年完成钕玻璃连续熔炼实验线的设计，并在实验线上开展了数次N31激光钕玻璃的连续熔炼实验。通过研究,在实验线上攻克了N31钕玻璃连续熔炼动态除羟基、杂质控制、除铂颗粒、隧道窑退火炸裂、成型条纹等系列关键技术难题。2011年成功地在钕玻璃连续熔炼实验线上获得了400 mm口径N31钕玻璃连续熔炼钕玻璃样片。

第二阶段：2011～2015年，主要开展磷酸盐激光钕玻璃连续熔炼中试线的设计建设和运行，并实现N31激光钕玻璃连续熔炼批量制造的验证。

以连续熔炼实验线设计为参考，以满足神光系列装置技术指标的400 mm口径N31钕玻璃批量研制为目标，开展N31钕玻璃连续熔炼中试线的设计建设。并开展了3次连续熔炼中试实验。在中试线上集成了N31激光钕玻璃的连续熔炼关键单元技术，稳定了连续熔炼工艺，获得了批量400 mm口径N31连熔钕玻璃合格片，并成功实现了在神光装置上的批量应用。标志着连续熔炼N31激光钕玻璃进入实用阶段。

中试试验过程中，通过完善池炉结构设计，减少了连续熔炼过程N31磷酸盐钕玻璃对耐火材料的侵蚀，降低了激光波长的光吸收损耗，延长了池炉使用寿命和连续熔炼有效运行时间。同时，N31钕玻璃连续熔炼除羟基、除铂颗粒、成型、隧道窑退火及精密退火工艺得到进一步稳定，N31激光钕玻璃的荧光寿命、损耗、均匀性等各项技术指标和成品率稳步提升。

表1所示为3次连续熔炼中试试验的N31钕玻璃荧光寿命、3 000 cm-1吸收系数、耐火材料和铁等杂质含量及损耗和成品率的进展情况。从表1数据可知，连熔N3135钕玻璃的主要技术参数得到逐步改进提高，连续熔炼工艺逐年稳定。

表1 三次连熔中试实验N3135钕玻璃的荧光寿命、铁含量及损耗Tab.1 Fluorescent lifetime, iron impurity and optical loss of the laser glass by 3 pilot continuous melting experiments

4 连续熔炼N31激光钕玻璃的性能

表2所示为连续熔炼与坩埚熔炼的N3135激光钕玻璃的主要参数，其光学性质与激光性质基本相同，连续熔炼N3135钕玻璃400 nm吸收系数小，表明连续熔炼N3135钕玻璃中的铂离子浓度低于坩埚熔炼，连续熔炼激光玻璃该指标优于坩埚熔炼。

表2 连续熔炼与坩埚熔炼N3135激光玻璃的性质比较Tab.2 Properties of N3135 laser glass by continuous melting and discontinuous melting

图2所示为连续熔炼和坩埚熔炼的N3135激光钕玻璃可见到近红外的透过谱。图3所示为连续熔炼与坩埚熔炼N3135激光钕玻璃在激光波长折射率的波动情况。连续熔炼N3135激光钕玻璃在400 nm附近的透过明显好于坩埚熔炼的激光玻璃，再次表明连续熔炼N3135钕玻璃中的铂颗粒指标的优异性。连续熔炼N3135钕玻璃的杨氏模量和努氏硬度较坩埚熔炼的偏高,表明其具有更高的强度。最为重要的，对大型激光装置的应用，连续熔炼的N3135激光钕玻璃折射率波动明显优于坩埚熔炼的钕玻璃，因而具有更好的光学性能一致性。这对多光路的大型激光系统十分有益，体现了连续熔炼技术的优越性。

图2 连续熔炼和坩埚熔炼N3135钕玻璃透过光谱Fig.2 Spectral transmission of laser glass by continuous melting and discontinuous melting

图3 连续熔炼与坩埚熔炼N3135激光钕玻璃在1 053 nm波长的折射率波动 Fig.3 Refractive index fluctuation of N3135 laser glass by continuous melting and discontinuous melting

图4所示为连续熔炼和坩埚熔炼的N3135激光钕玻璃3 333 nm的吸收系数的对比。从图4可以看出，2010年和2011年在连续熔炼实验线获得的N3135钕玻璃其3 333 nm的吸收系数平均值约为1.2 cm-1，明显大于2013年连续熔炼中试线上N3135激光钕玻璃的0.85 cm-1。2013年连续熔炼中试线研制的N3135钕玻璃3 333 nm的吸收系数平均值与坩埚熔炼的相当。该吸收系数指标优于美国LLNL报道的国外连续熔炼LHG-8激光钕玻璃3 333 nm的吸收系数(1.46 cm-1)[4]。表明连续熔炼的动态除羟基工艺取得了突破性进展。此外，在用户单位的大能量考核平台测试结果表明，N3135激光钕玻璃在基频(1 053 nm，5 ns)激光能量密度达到8.25 J/cm2情况下无铂颗粒破坏[10]，而美国报道的连熔LHG-8钕玻璃在6.0 J/cm2就出现铂颗粒破坏[4]。

图4 连熔和埚熔N3135钕玻璃3 333 nm的吸收系数Fig.4 Absorption coefficient at 3 333 nm of N3135 laser glass by continuous melting and discontinuous melting

对精密退火和精密抛光加工后的400 mm口径连续熔炼N3135钕玻璃的光学均匀性和应力双折射进行抽测，图5所示为400 mm口径的N3135钕玻璃Zygo干涉仪的透过波前检测结果，经过检测发现其透过波前为0.286λ，小于1/3λ。计算表明该玻璃的光学均匀性已达到2×10-6的要求。表明连熔400 mm口径N31钕玻璃的光学均匀性达到了神光系列装置指标要求。图6所示为400 mm口径连续熔炼N3135激光玻璃片的应力分布检测结果，其应力双折射已达到5 nm/cm的指标要求。

图5 400 mm口径连熔N3135钕玻璃透过波前图(PV=0.286λ,λ=633 nm)Fig.5 PV value of 400 mm aperture of N3135 neodymium laser glass by continuous melting

图6 400 mm口径连熔N3135钕玻璃应力分布图Fig.6 Stress distribution of 400 mm aperture of N3135 neodymium laser glass by continuous melting

在4×2×3的TAB模块上测试了400 mm口径N3135钕玻璃片的增益特性，这里n×m×q表示用于测量小信号增益系数的平行放大通道在3个维度(高度×宽度×长度)的钕玻璃坯片数。将810×460×40 mm3的长方形N3135钕玻璃测试片置于放大模块中，相对于380 mm×380 mm口径的输入光束成布儒斯特角方向。图7测试结果表明，在相同条件下连续熔炼N3135钕玻璃的增益系数与坩埚熔炼的激光钕玻璃相当。

图7 4×2×3装置上400 mm口径的连续熔炼与坩埚熔炼N3135钕玻璃的增益系数Fig.7 Gain coefficient of 400 mm aperture of N3135 neodymium laser glass by continuous melting and discontinuous melting in 4×2×3 laser device

5 结 论

通过10年的研究开发，上海光机所掌握了N31激光玻璃连续熔炼的熔化、除羟基、澄清均化、除铂颗粒、大尺寸成型、低应力隧道窑退火的关键单元技术，并首先在试验线上实现了上述单元技术的集成。通过连续熔炼中试线的设计优化和3次连续熔炼中试实验，N31磷酸盐激光钕玻璃的连续熔炼工艺技术得到稳定和固化。在连续熔炼中试线上获得批量性能指标达标的400 mm口径N31钕玻璃片。连续熔炼N3135激光钕玻璃的主要性能指标优于或达到坩埚熔炼的钕玻璃，连续熔炼激光玻璃的折射率波动远小于坩埚熔炼的激光玻璃，参数一致性显著提高。连续熔炼的N31激光钕玻璃满足神光系列装置的应用需求。经对比，N31激光钕玻璃的3 333 nm吸收系数和铂颗粒破坏损伤阈值指标优于国外同类产品。

致谢：2005年以来上海光机所钕玻璃连续熔炼工艺研究得到了863-804专题、中国科学院、国家科技重大专项的大力支持。

[1] VAN WONTERGHEM B M, MURRAY J R, CAMPBELL J H,etal.. Performance of a prototype for a large-aperture multipass Nd:glass laser for inertial confinement fusion [J].ApplOpt, 1997, 36: 4932-4953.

[2] HUNT J T，SPECK D R. Present and future performance of the Nova laser system [J].OptEng.,1989, 28 (40):461-468.

[3] ZHANG F Q, LIU H, CHEN L Y,etal.. Development of measuring parameters system for high-power laser [J].ActaPhotonicaSinica, 2007, 36(Sup1): 68-71.

[4] SURATWALA T I, CAMPBELL J H, MILLER P E,etal.. Phosphate laser glass for NIF: production status, slab selection and recent technical advances [C].SPIE, 2004, 5341:102-113.

[5] CAMPBELL J H. 25 Years of laser glass development leading to a 1.8 MJ, 500 TW laser for fusion ignition [C].PublishedontheProc.of18thInternationalCongressonGlass,HeldinSanFrancisco,1998.

[6] SURATWALA T, THORSNESS C, CAMPBELL J,etal.. Technical advances in the continuous melting of phosphate laser glass [C]. 2ndConferenceonInertialFusionSciencesandApplications,Kyoto,2001,9-14.

[7] THORSNESS C B, SURATWALA T I, STEELE R A. Dehydroxylation of Phosphate Laser Glass[C].SPIE, 2000, 4102:175-194.

[8] 唐景平，胡丽丽,等.稳态下模拟方池窑的温度场测试[J].玻璃与搪瓷(专刊)，2007，35 (S1)，30-35. TANG J P, HU L L,etal.. The testing of temperature field in the simulator of rectangle furnace under stable condition [J].Glass&Enamel(Monograph).

[9] 唐景平，胡丽丽，干福熹. 稳态下锡电极的轴向温度分布[J].武汉理工大学学报)，2007，29(Suppl)(1):210-214. TANG J P, HU L L, GAN F X. Axial temperature gradient of tin oxide electrode in glass melting [J].JournalofWuhanUniversityofTechnology,2007,29(supp)(1):210-214.

[10] ZHAO J,WANG W,FU X,etal.. Recent progress of the integration test bed in SPIE/COS photonics asia[J].InternationalSocietyforOpticsandPhotonics, 2014,92660X-92667.

Continuous melting technology of neodymium laser glass

TANG Jing-ping, WANG Biao, CHEN Shu-bin, CHEN Wei, HU Li-li*

(ShanghaiInstituteofOptics&FineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201800,China) *Correspondingauthor,E-mail:hulili@siom.ac.cn

This paper focuses on the continuous melting technology of neodymium laser glass carried out by Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of the Chinese Academy of Sciences since 2005. It describes the research progress and some achievements of the technology. The continuous melting processing of N31 laser Nd glass is given, continuous melting of phosphate glass is simulated and a lots of experiments on the design, establishment, improvement and verification of the continuous melting line are carried out. A series of key technologies of continuous melting such as hydroxylation removal, Pt-inclusion removal, and transition metal impurity control, large size casting and birefringence control in lehr annealing are solved and the mass production of N31 laser glass is realized. The experimental achievements show that the fluorescent lifetime, laser attenuation at 1 053 nm, optical homogeneity and other properties of the continuous melted laser glass meet the requirements of the Shenguang facility. The comparison experiments show that the optical parameter homogeneity and absorption coefficient at 400 nm of the continuous melted laser glass are superior to those of the pot melted glass. Moreover, the absorption coefficient at 3 333 nm and larger laser damage threshold caused by platinum inclusion of the N31 laser glass are better than those of LHG-8 glass used in Lawrence Livermore National Laboratory in the United States.

neodymium laser glass；phosphate laser glass； continuous melting； hydroxylation removal, Pt-inclusion removal; review

2016-10-13；

2016-12-01.

国家863高技术研究发展计划资助项目；国家重大科技专项资助项目；中国科学院知识创新工程重要方向项目

1004-924X(2016)12-2969-06

TN244;TQ171.776

:Adoi:10.3788/OPE.20162412.2969

唐景平(1973-)，男，湖南宁远人，博士，正高级工程师，1996年于长春光学精密机械学院获学士学位，2003年于东华大学获得硕士学位，2009年于中国科学院上海光学精密机械研究所获得博士学位，主要从事激光玻璃开发及玻璃熔炼工艺的研究。Email:jjpptang@siom.ac.cn

胡丽丽(1963-)女，江西南昌人，博士，研究员，博士生导师，1984年于浙江大学获得学士学位，1987年于浙江大学获得硕士学位，1990年于中国科学院上海光学精密机械研究所获得博士学位，长期从事激光玻璃和特种玻璃的应用基础研究工作，稀土掺杂特种光纤的研制。E-mail: hulili@siom.ac.cn