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
飞秒激光烧蚀加工与传统皮秒或纳秒激光加工相比, 具有热作用区域小、激光分辨率高、能够抑制等离子体的物理屏蔽效应等优势, 因而被广泛应用。基于雪崩电离和多光子电离效应, 阐述了飞秒激光烧蚀透明电介质材料机理, 介绍了飞秒激光烧蚀制备不同微结构件现状, 综述了近年来国内外飞秒激光微纳加工石英玻璃烧蚀点、烧蚀线和烧蚀面微特征的研究方法和研究进展, 对微功能结构件的实际应用情况进行了总结, 分析了现阶段飞秒激光在加工透明电介质领域存在的不足, 最后对该技术的发展进行了展望。
激光技术 飞秒激光 石英玻璃 烧蚀减薄 微特征 laser technique femtosecond laser quartz glass ablation thinning micro-features
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 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁 大连 6024
2 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，天津 300409
石英玻璃等光学硬脆材料在加工过程中不可避免地产生亚表面微裂纹，从而对光学元件的使役性能具有显著影响。因此，石英玻璃亚表面微裂纹的无损检测对于优化石英玻璃加工工艺进而提高加工质量具有十分重要的意义。提出了基于偏振激光散射（Polarized Laser Scattering， PLS）的石英玻璃亚表面微裂纹检测方法，搭建了PLS无损检测系统。通过压痕实验以20 mN，50 mN，100 mN压力制备亚表面微裂纹深度为5.27 μm，9.7 μm，15.42 μm的压痕试样，使用PLS检测系统对压痕试样进行无损检测，探究PLS信号与亚表面微裂纹深度的对应关系。通过不同粒径磨粒（1~20 μm）研磨制备亚表面微裂纹深度为1~10 μm的研磨试样，发现研磨PLS检测信号与亚表面裂纹深度之间呈幂函数关系。搭建的PLS检测系统可以对深度小于10 μm的石英玻璃亚表面微裂纹进行有效检测与量化。PLS检测系统检测结果可实现研磨石英玻璃微裂纹检测，进而为亚表面微裂纹控制及加工工艺优化提供指导。
偏振激光散射 亚表面微裂纹 压痕 研磨 石英玻璃 polarized laser scattering subsurface microcrack indentation grinding quartz glass 光学 精密工程
2023, 31(14): 2031
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
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 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070
2 中航光电科技股份有限公司，洛阳 471003
3 中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800
玻璃经常在溶液或者潮湿环境下使用，水的侵蚀会影响玻璃的物理和化学性质，甚至导致玻璃失效。近年来，通过采用多尺度计算机模拟方法，对简单玻璃体系与水相互作用过程和分子尺度反应机理的认识取得了较大进展。本文聚焦石英玻璃、钠硅玻璃和钠硼硅玻璃三个简单的模型玻璃体系，在阐明其耐水性起源的基础上，概述了玻璃与水分子相互作用过程和机理的最新进展，对进一步理解复杂体系玻璃的耐水性和开发新的功能玻璃具有重要的参考价值。
石英玻璃 钠硅玻璃 钠硼硅玻璃 耐水性 水侵蚀 侵蚀机理 quartz glass sodium silicate glass sodium borosilicate glass water resistance watercorrosion corrosion mechanism
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
武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070
空心玻璃微球因具有低密度、高强度、耐高温等优点而被广泛研究。采用喷雾造粒法与粉末法相结合，掺入发泡剂，以射频等离子体作为热源制备空心石英玻璃微球，研究了SiC、CaSO4、CaCO3三种发泡剂对制备空心石英玻璃微球的影响。结果表明，通过喷雾造粒法将发泡剂与SiO2充分混合形成粗坯颗粒，再利用射频等离子设备对粗坯粉末进行高温烧结，得到空心石英玻璃微球。其中CaSO4、CaCO3发泡剂效果较差，所产生的气体难以留在玻璃微球内部形成中空气泡；而SiC发泡剂效果最好，在射频等离子烧结过程中产生气体，被玻璃液包裹形成空心结构，得到的玻璃微球平均真密度为1.799 5 g/cm3。选用菲利华石英块状疏松体作为SiO2原料，当m(SiO2)∶m(SiC)∶m(H2O)为100∶3∶300时，可制备出平均真密度为0.72 g/cm3的空心多孔石英玻璃微球。
发泡剂 石英玻璃 空心微球 碳化硅 喷雾造粒法 射频等离子体 foaming agent quartz glass hollow microsphere silicon carbide spray granulation method radio frequency plasma
