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该研究由美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory，NRL）的S. S. Bayya、G. D. Chin、J. S. Sanghera和I. D. Aggarwal等人完成，发表于2006年11月27日的《Optics Express》第14卷第24期。研究围绕高能激光（High Energy Laser，HEL）系统出口窗口材料展开，重点开发并评估了一种改性的钡镓锗酸盐玻璃（barium gallo-germanate glass，BGG玻璃），以替代目前常用的多光谱硫化锌（multi-spectral ZnS）材料。
高能激光系统中的窗口常因吸收激光能量而成为系统失效的关键点。当高能光束穿过窗口时，部分能量被材料吸收并引起局部加热，导致材料热膨胀和折射率变化，进而使透射光束发生畸变。这种光学路径畸变（Optical Path Distortion，OPD）会显著限制高能激光系统的持续工作时间，甚至造成窗口的灾难性失效。因此，降低窗口材料的热效应是提升高能激光系统性能的关键。目前，多光谱硫化锌常用于3.8 μm波长的出口窗口，但其硬度低、热光系数（thermo-optic coefficient，dn/dt）高，且光学路径畸变较大。BGG玻璃的硬度约为多光谱硫化锌的三倍，具有各向同性、优异的可见光和中红外透射性能，并且易于制成大尺寸窗口。该研究的核心目标是开发低吸收损耗、低热光系数的改性BGG玻璃，并系统评估其在高能激光窗口中的应用潜力。
研究首先分析了高能激光窗口材料的热效应机制，并引入了一个用于评估窗口材料性能的品质因数（Figure of Merit，FOM），其表达式为FOM(OPD) = FOM(χ) × FOM(δT) × FOM(L)。其中，FOM(χ)代表热畸变品质因数，涉及折射率、泊松比、热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）、热光系数、杨氏模量和应力光学系数等参数；FOM(δT)代表温升品质因数，与吸收系数、密度和比热容相关；FOM(L)代表厚度品质因数，与泊松比和断裂强度相关。FOM值越低表明材料在高能激光应用中的性能越好。研究以多光谱硫化锌为参照，对BGG玻璃进行了全面的性能表征。
在材料制备方面，BGG玻璃由BaCO₃、Ga₂O₃和GeO₂按一定比例混合，在约1350°C的铂金坩埚中熔化，并浇铸在所需形状的模具中制成。BaCO₃在高温下分解为BaO。该三元体系具有较宽的玻璃形成区，并且通过添加或部分替代其他组分（如Al₂O₃、Y₂O₃、Gd₂O₃、La₂O₃、In₂O₃）可以进一步调控其物理性能。研究中识别出羟基（OH⁻）杂质是导致BGG玻璃在3–3.5 μm及3.8 μm波长处吸收损耗高的主要原因。为此，研究团队开发了一种纯化方法，将玻璃中羟基浓度从30 ppm降低到约1 ppm，从而使BGG玻璃在3.8 μm波长处的吸收系数从6×10⁻² cm⁻¹降低到2×10⁻³ cm⁻¹以下。然而，进一步的吸收光谱分析表明，CO₂杂质在3.7 μm附近的吸收峰的尾部仍然对3.8 μm处的吸收损耗有贡献。若能够进一步消除CO₂杂质，则3.8 μm处的吸收损耗有望接近理论极限值5×10⁻⁵ cm⁻¹。该理论极限值是通过多声子吸收边和瑞利散射损耗在对数损耗与波长倒数图中的外推交点获得的。
在性能测试方面，所有与公式（2）至（4）相关的材料性能均按照ASTM标准在代顿大学研究所（University of Dayton Research Institute，UDRI）完成测量。测试内容包括密度、硬度、强度、热光系数、应力光学系数、折射率、热膨胀系数、热容、泊松比和弹性模量等。这些数据随后用于计算BGG玻璃和多光谱硫化锌的各项FOM值。此外，研究还通过改变玻璃组成来降低折射率并提高热膨胀系数，以探索负热光系数玻璃的实现。具体做法是使用钠、钾、铷和铯的氧化物部分替代BaO，形成一系列改性BGG玻璃（标记为MBGG-1、MBGG-4和MBGG-5）。对这些改性玻璃的折射率、热膨胀系数进行了实验测量，并根据公式（5）计算了热光系数。公式（5）表明热光系数由电子极化率（φ）和体膨胀系数（β）共同决定，当β大于φ时，热光系数可为负值。
与多光谱硫化锌相比，BGG玻璃的硬度约为其3倍（422 kg/mm² vs 160 kg/mm²），强度约为其2倍（24,000 psi vs 10,000 psi），热光系数约为其五分之一（8×10⁻⁶ K⁻¹ vs 39×10⁻⁶ K⁻¹）。这些优势使BGG玻璃在热畸变品质因数FOM(χ)、厚度品质因数FOM(L)以及总品质因数FOM(OPD)方面均低于多光谱硫化锌。具体而言，BGG玻璃的FOM(OPD)比多光谱硫化锌低约40%，表明其在高能激光窗口中的整体性能更优。然而，BGG玻璃的温升品质因数FOM(δT)高于多光谱硫化锌，这主要是因为其吸收系数（2×10⁻³ cm⁻¹）仍高于多光谱硫化锌的6×10⁻⁴ cm⁻¹。若通过进一步去除CO₂杂质将BGG的吸收系数降低至与多光谱硫化锌相当，则其FOM(OPD)可降低至多光谱硫化锌的约五分之一（即低80%）。
在热光系数的调控方面，通过组成改性，BGG玻璃的热光系数从最初的9.0×10⁻⁶ K⁻¹逐步降低至MBGG-1的5.6×10⁻⁶ K⁻¹、MBGG-4的2.8×10⁻⁶ K⁻¹，并在MBGG-5中实现了-2.4×10⁻⁶ K⁻¹的负值。尽管MBGG-5的热光系数为负，但由于公式（2）中的热膨胀项和应力光学项仍大于热光项的绝对值，其FOM(χ)仅约为母体BGG玻璃的一半。通过计算确定，若要使FOM(χ)为零并实现无热化（athermal）窗口，热光系数需达到-10.25×10⁻⁶ K⁻¹。这一结果为后续实现零光学路径畸变窗口提供了明确方向。
此外，研究还验证了BGG玻璃在大尺寸和复杂形状制备方面的可行性，成功制备了18英寸直径的抛光窗口和3.5英寸直径的半球形穹顶。由于BGG玻璃易于加工和成型，其制造成本预计显著低于硫化锌窗口。
该研究证实了改性BGG玻璃作为高能激光出口窗口材料的潜力。相比多光谱硫化锌，BGG玻璃具有更好的机械性能、热性能和光学性能，并且在降低光学路径畸变方面具有明显优势。通过玻璃组成改性实现负热光系数，为进一步降低OPD乃至实现无热化窗口提供了可行路径。该研究的科学价值在于系统揭示了BGG玻璃中羟基和CO₂杂质对红外吸收损耗的影响机制，并建立了通过组成调控实现负热光系数的理论依据。其应用价值在于为高能激光系统提供了一种可低成本、大尺寸制备且性能更优的候选窗口材料，有望替代目前使用的多光谱硫化锌。
该研究的主要亮点包括：第一，开发了BGG玻璃的纯化方法，将3.8 μm处吸收系数降低了约30倍；第二，首次在该玻璃体系中通过组成改性实现了负热光系数；第三，系统计算并比较了BGG玻璃与多光谱硫化锌的热畸变、温升、厚度及总品质因数，明确了性能提升的具体来源与进一步改进方向；第四，展示了18英寸直径窗口的制备能力，证明了该材料在实际工程应用中的可扩展性。此外，研究还指出，若吸收损耗降至与硫化锌相当的水平，BGG玻璃的总光学路径畸变品质因数可降低80%，显示出极大的应用潜力。