Люминесцирующее кварцевое стекло

Изобретение относится к оптическим материалам, в частности к составам активированных стекол, полученных золь-гель способом, которые могут использоваться в качестве активных элементов лазеров и суперлюминесцентных излучателей, функционирующих в области максимальной спектральной эффективности фотосинтеза. Техническим результатом изобретения является создание Sm-содержащего стекла со слабым концентрационным тушением люминесценции, что позволит увеличить концентрацию функционирующего по четырехуровневой схеме активатора и соответственно энергию излучения, снимаемую с единицы объема такого стекла, при его использовании в качестве активных элементов лазеров и суперлюминесцентных излучателей. Таким стеклом является стекло, содержащее оксиды кремния, самария, алюминия и рубидия, а также OH- - группы при следующем соотношении (мас.%): (94,6-98,8)SiO2, (0,5-2,2)Sm2O3, (0,5-2,2)Al2O3, (0,1-0,8)Rb2O и (0,1-0,3)OH-. 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к оптическим материалам, в частности к полученному по золь-гель процессу кварцевому стеклу, легированному самарием, которое может использоваться в качестве активных элементов лазеров и суперлюминесцентных излучателей, функционирующих в области максимальной спектральной эффективности фотосинтеза.

Известно светотехническое стекло следующего состава (мас.%): (62-76)SiO2, (0,5-5)Al2O3, (7-16)Na2O, (0,1-6)K2O, (1-8)CaO, (1-8)MgO, (0,01-0,4)Fe2O3, (0,01-3)CeO2, (1-6)B2O3, (0,8-5)ZnO, (0,1-4)BaO, (0,01-0,6)Sm2O3, (0,01-0,6)Eu2O3 (RU 2145582).

Недостатками стекла являются малая доля квантов (<20%), испускаемых в полосе при λ≈650 нм, соответствующей максимальной спектральной эффективности фотосинтеза, и невысокий квантовый выход люминесценции из-за наличия Fe2O3. Это не позволяет использовать его в качестве активных элементов лазеров и суперлюминесцентных излучателей.

Известно люминесцирующее стекло следующего состава (мол.%): (65-73)B2O3, (15-20)Al2O3, (8-15)La2O3, (0,1-4)Sm2O3 (патент RU 2415089).

Недостатком стекла является невысокая доля квантов люминесценции (≈27%) в спектральной полосе 5 G 5 / 2 6 H 9 / 2 ( λ max 650 н м ) , приходящейся на область максимальной спектральной эффективности фотосинтеза. Это существенно ограничивает возможности использования стекла в качестве активного элемента суперлюминесцентного излучателя для указанной области.

Известно полученное золь-гель методом высококремнеземистое стекло следующего состава (мас.%): 96,9SiO2, 1,6Al2O3, 1,5Sm2O3, остаточное содержание OH- - групп - 3,5 сверх 100 мас.% (Демская Э.Л., Пивоваров С.С. Люминесценция высококремнеземистых золей, гелей и гель-стекол, активированных самарием, Физика и химия стекла, 1990, том 16, №4, с.605-612).

Основным недостатком является низкий квантовый выход люминесценции ионов Sm3+ из-за высокой концентрации ОН--групп.

Наиболее близким к заявляемому стеклу является люминесцирующее гельное кварцевое стекло следующего состава (мас.%): (98,99-99,499)SiO2, (0,05-1,0)Sm2O3, (0,001-0,010)ОН- (BY 5391).

Основным недостатком прототипа является быстрое снижение квантового выхода люминесценции ионов Sm3+ с увеличением их концентрации из-за сегрегации активатора.

Задачей предполагаемого изобретения является создание Sm-содержащего стекла со слабым концентрационным тушением люминесценции, что позволит увеличить концентрацию функционирующего по четырехуровневой схеме активатора и соответственно энергию излучения, снимаемую с единицы объема такого стекла, при его использовании в качестве активных элементов лазеров и суперлюминесцентных излучателей.

Для выполнения поставленной задачи люминесцирующее кварцевое стекло, содержащее SiO2, Sm2O3 и OH-, дополнительно включает оксиды алюминия Al2O3 и рубидия Rb2O при следующем соотношении (мас.%): (94,6-98,8)SiO2, (0,5-2,2)Sm2O3, (0,5-2,2)Al2O3, (0,1-0,8)Rb2O и (0,1-0,3)OH-.

Уменьшение концентрации Sm2O3 ниже заявляемой нецелесообразно из-за малого значения коэффициента поглощения ионов Sm3+ в области накачки, а увеличение концентрации Sm2O3 более заявляемой ведет к появлению светорассеивания. Для предотвращения сегрегации ионов Sm3+ концентрация Al2O3 должна находиться на уровне концентрации Sm2O3 либо превышать ее. Введение Rb2O способствует повышению оптического качества стекла и снижению его температуры синтеза. Повышение концентрации ОН--групп более 0,3 мас.% приводит к заметному уменьшению квантового выхода люминесценции, а снижение этой концентрации менее 0,1 мас.% слабо влияет на этот параметр, но требует применения специальных мер по дегидроксилизации стекла.

Заявляемое стекло получали прямым золь-гель способом, включающим следующие этапы:

- гидролиз тетраэтилортосиликата Si(OC2H5)4 в водно-спиртовой среде в присутствии соляной кислоты HCl, используемой в качестве катализатора, до получения золя;

- введение в золь растворов солей легирующих элементов;

- диспергирование в золе с помощью ультразвукового гомогенизатора аэросила, который используется как наполнитель для уменьшения растрескивания ксерогелей;

- очистку полученного золь-коллоида от примесей и грита способом центробежной сепарации;

- нейтрализацию среды водным раствором аммиака;

- литье жидкого шликера в форму;

- гелеобразование;

- сушку в термошкафу;

- термообработку;

- спекание ксерогеля в форвакууме до состояния прозрачного стекла при T≈1200°C.

Составы заявляемого стекла, квантовый выход люминесценции ηлюм и пиковое значение линейного коэффициента поглощения k в полосе при λ≈402 нм приведены в таблице. Концентрация оксидов дана по синтезу, а OH--групп определена по пиковой интенсивности поглощения на длине волны их основных валентных колебаний (λ≈2720 нм) с помощью известного соотношения COH=0,01 kOH (мас.%); квантовый выход люминесценции определялся как отношение интегральной длительности затухания люминесценции в переходе 4G5/26H9/2(λ≈650 нм) к радиационной. При определении интегральной длительности возбуждение осуществлялось излучением 2-й гармоники моноимпульсного лазера на сапфире с титаном (длительность импульса ≈ 10 нс); радиационная длительность затухания определялась как постоянная дальней стадии распада состояния 4G5/2 (≈2450 мкс) для образца с минимальной концентрацией Sm2O3 и ОН- (образец №1). В этой же таблице приведены и соответствующие характеристики прототипа.

На фигуре 1 изображен спектр светоослабления образца №3 в области «рабочих» полос поглощения.

На фигуре 2 изображен «квантовый» спектр люминесценции образца №3; он слабо зависит от концентрации ингредиентов, а доля квантов люминесценции, приходящихся на спектральную полосу при λmax≈650 нм, составляет ≈40%.

Таблица
Стекло Состав, мас.% ηлюм, % k, см-1
SiO2 Sm2O3 Al2O3 Rb2O OH-
1 98,8 0,5 0,5 0,1 0,1 93±5 0,12
2 94,6 2,2 2,2 0,8 0,2 78±4 0,52
3 96,35 1,1 1,6 0,7 0,25 84±4 0,24
4 96,1 1,4 1,6 0,6 0,3 77±4 0,32
Прототип 99,19 0,8 - - 0,01 55±3 0,18

Таким образом, видно, что заявляемое стекло характеризуется высоким квантовым выходом люминесценции, значительной долей квантов, излучаемых в области максимальной спектральной эффективности фотосинтеза, а величина его линейного коэффициента поглощения в области 402 нм достаточна для эффективной накачки в продольном варианте. По сравнению с прототипом оно позволяет достигать в 2,2 раза большую концентрацию активатора и в 1,4-1,7 раза больший квантовый выход люминесценции. Это обеспечивает заявляемому стеклу существенные преимущества при использовании в качестве функционирующих по четырехуровневой схеме активных элементов лазеров и суперлюминесцентных излучателей.

Люминесцирующее кварцевое стекло, включающее SiO2, Sm2O3 и OH-, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит оксиды алюминия Al2O3 и рубидия Rb2O при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO2 94,6-98,8
Sm2O3 0,5-2,2
Al2O3 0,5-2,2
Rb2O 0,1-0,8
OH- 0,1-0,3



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к легированным прозрачным стеклокристаллическим материалам, которые могут использоваться в качестве активной среды лазеров и усилителей в ближней ИК области.

Изобретение относится к легированным стеклам, которые могут использоваться в качестве антистоксовых визуализаторов ИК-излучения с 0,89-0,99 мкм, активной среды усилителей и лазерных преобразователей, функционирующих в полосе антистоксовой люминесценции, а также для визуального контроля мощности лазерного ИК-излучения.

Изобретение относится к легированным стеклам, в частности к Yb-содержащему кварцевому стеклу, полученному по золь-гель процессу, которое может использоваться в качестве активного материала лазеров и усилителей инфракрасного диапазона.

Изобретение относится к легированным кварцевым стеклам с тетраэдрической координацией атомов титана и может быть использовано при создании компонентов микро- (нано-) и оптоэлектронных устройств.
Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к магнитооптическим стеклам, содержащим оксид тербия, для использования в качестве устройств, работающих на принципе эффекта Фарадея.
Изобретение относится к области технологии силикатов, а именно к составам стекла для изготовления изделий декоративно-художественного назначения, бижутерии. .

Изобретение относится к составам стекол для изготовления бисера. .

Изобретение относится к производству оптических стекол типа особых флинтов для создания пары стекол в светосильных двухлинзовых объективах-апохроматах. Оптическое стекло типа курц-флинт включает SiO2, B2O3, Al2O3, K2O, Na2O, ZnO, CaO, ZrO2, Ta2O5, GeO2 и As2O3 при следующем соотношении компонентов (в масс.%): SiO2 12,5-30,3; В2О3 37-49,2; Al2O3 4-6; K2O 1-5; Na2O 1,4-4; ZnO 2,5-3,9; CaO 2-4; ZrO2 1,9-6; Ta2O5 7,5-14,2; GeO2 4-6; As2O3 0,1-1. Техническим результатом изобретения является создание оптического стекла с пониженными значениями относительных частных дисперсий. Температура варки стекла составляет 1450-1470°C. Химстойкость стекла - группа A-II. 2 табл.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к способу локальной нанокристаллизации легированных стекол под действием лазерного излучения. Эти стекла могут быть использованы в качестве активных волноводов и в разработке интегральных усилителей и лазеров на их основе. Изобретение позволяет осуществить самоограничивающийся процесс формирования в галлийсодержащем оксидном стекле локальных областей шириной более 100 мкм с увеличенным показателем преломления, содержащих нанокристаллы и люминесцирующих в широком диапазоне длин волн 1150-1700 нм ближней ИК области. Способ локальной нанокристаллизации стекол включает облучение сфокусированным пучком лазера на парах меди со средней мощностью 5-15 Вт при перемещении пучка относительно поверхности образца со скоростью 10-200 мкм/с, осуществление подогрева стекла до температуры, меньшей, чем температура стеклования, на 5÷30°C. Стекло имеет состав, мас.%: Li2O 1,3-2,3, Na2O 1,5-2,7, Ga2O3 32,5-37,9, SiO2 7,0-21,2, GeO2 37,0-56,5, NiO 0,05-0,8. 3 ил., 4 пр.
Наверх