Люминесцирующее стекло



Люминесцирующее стекло
Люминесцирующее стекло

 


Владельцы патента RU 2574223:

Учреждение образования "Белорусский государственный технологический университет" (BY)

Изобретение относится к составам оптических стекол, а именно к люминесцирующим стеклам, активированным ионами редкоземельных элементов, в частности ионами европия и иттербия, и предназначено для использования в качестве активной среды в ап-конверсионных лазерах, люминофорах для преобразования инфракрасного лазерного излучения в видимое оранжево-красное. Люминесцирующее стекло включает SiO2, PbO, PbF2, CdF2, Eu2O3 и YbF3 при следующем соотношении компонентов, мол. %: SiO2 35,0-42,0; PbO 15,0-20,0; PbF2 27,5-32,0; CdF2 8,0-15,0; Eu2O3 0,5-1,5 и YbF3 1,0-2,5. Техническая задача изобретения - создание стекла, обладающего свойством преобразования инфракрасного излучения в видимую область спектра и характеризующегося высокой интенсивностью ап-конверсионной люминесценции оранжево-красного излучения в спектральной области при λ - 612 нм. Область применения - оптоэлектроника, фотоника, лазерное приборостроение. 2 табл.

 

Изобретение относится к составам оптических стекол, а именно к люминесцирующим стеклам, активированным ионами редкоземельных элементов, в частности ионами европия и иттербия, и предназначено для использования в качестве активной среды в ап-конверсионных лазерах, люминофорах для преобразования инфракрасного лазерного излучения в видимое оранжево-красное.

Такие активные среды должны обеспечивать эффективную ап-конверсионную люминесценцию в области длины волны 612 нм, соответствующей переходу 5D07F2 иона Eu3+ и определяющей цвет свечения стекла - насыщенный оранжево-красный, при возбуждении коммерческим лазерным диодом на длине волны излучения 960 нм.

Известно люминесцирующее германатное стекло состава в мол. %: GeO2 40-60; Er2O3 0,01-5; Yb2O3 1-28; B2O3 15-30; Al2O3 1-5; La2O3 1-25 [1]. Известное стекло предназначено для генерации в спектральной области 1,5 мкм и характеризуется низкой интенсивностью люминесценции, что не позволяет использовать его в качестве эффективного ап-конверсионно люминесцирующего материала, преобразующего инфракрасное излучение в видимое.

Известно люминесцирующее стекло, содержащее в мол. %: SiO2 40,0-90,0; B2O3 1,0-20,0; Al2O3 1,0-10,0; PbO 0,1-5,0; V2O5 1,0-5,0, а также оксиды щелочных металлов R2O (Na2O, K2O, Li2O) 2,0-45,0 и оксиды щелочноземельных металлов RO (MgO, CaO, SrO, BaO) 0-20,0 [2]. Стекло характеризуется белым, желтым и голубым излучением при возбуждении в ультрафиолетовой спектральной области на длине волны 254 нм, причем цвет свечения зависит от концентрации PbO и V2O5. Недостатком стекла является то, что оно не обладает свойством ап-конверсионного преобразования инфракрасного излучения в видимое в связи с отсутствием в его составе ионов редкоземельных элементов и не может быть использовано в качестве лазерной активной среды для преобразования инфракрасного излучения в видимую область спектра.

Наиболее близким к предлагаемому стеклу по технической сущности и достигаемому результату является люминесцирующее стекло (взято за прототип), которое содержит в мол. %: (79-x,y) H3BO3; 20BaF2; yEu2O3; xYb2O3, где x=0, 0.25, 0.5, 1, 2, 4 и y=0, 0.25, 0.5, 1.0, 1.5 [3]. Стекло-прототип, содержащее 1 мол. % Eu2O3 и 0,5 мол. % Yb2O3, характеризуется ап-конверсионной люминесценцией. Однако это стекло по своему химическому составу не пригодно для промышленного использования, поскольку содержит большое количество до 75-79 мол. % борной кислоты H3BO3, которая в процессе синтеза стекла разлагается с образованием борного ангидрида B2O3, а высокоборатные стекла нестабильны, химически неустойчивы и имеют низкую механическую прочность. Кроме того, стекло-прототип имеет ряд низких спектроскопических показателей, таких как параметры Джадца-Офельта. В частности, параметр Джада-Офельта Ω2, характеризующий вид химической связи ионов европия Eu3+ с локальным окружением (лигандом), составляет всего 3.5×10-20 см2. Это указывает на преобладание более ионной связи, чем ковалентной, что приводит к снижению прочности структуры, а также на низкую эффективность излучательных процессов для редкоземельных ионов в данном стекле.

В спектре ап-конверсионной люминесценции наблюдается интенсивная полоса в спектральной области 480 нм, связанная с релаксацией энергии электронного возбуждения в парах ионов иттербия (признак их кластеризации). Такой процесс обусловливает уменьшение эффективности оранжево-красной люминесценции, а также изменение цвета свечения (смещение в более синюю область). Эти существенные недостатки стекла-прототипа не позволяют использовать его в качестве оптической активной среды.

Техническая задача изобретения - создание стекла, обладающего свойством ап-конверсии, т.е. преобразования инфракрасного излучения в видимое, и характеризующегося высокими оптическими и физико-химическими параметрами и интенсивной люминесценцией оранжево-красного излучения в спектральной области при λ - 612 нм.

Поставленная задача достигается тем, что люминесцирующее стекло включает SiO2, PbO, PbF2, CdF2, Eu2O3 и YbF3 при следующем соотношении компонентов, мол. %: SiO2 35,0-42,0; PbO 15,0-20,0; PbF2 27,5-32,0; CdF2 8,0-15,0; Eu2O3 0,5-1,5 и YbF3 1,0-2,5. Компоненты и их количественное соотношение в предлагаемом составе стекла позволяют обеспечить ап-конверсионную люминесценцию насыщенного оранжево-красного излучения в спектральной области 612 нм, сохраняя устойчивость стеклообразного состояния и прозрачность стекла, и, таким образом, создать новое люминесцирующее стекло, пригодное для использования в качестве активной среды ап-конверсионных лазеров, с помощью которых возможно осуществлять генерацию в видимой области на длине волны ~612 нм.

Из источников информации люминесцирующее стекло с данным соотношением компонентов для решения указанной задачи неизвестно и нами предлагается впервые.

В качестве сырьевых материалов для синтеза стекла используют диоксид кремния, оксид свинца, фторид свинца, фторид кадмия марки «хч», оксид европия (99,99%) и фторид иттербия (99,99%). Сырьевые материалы взвешивают на электронных весах, тщательно перемешивают и просеивают через сито №0,5. Приготовленную шихту засыпают в корундовые тигли, которые помещают в стекловаренную электрическую печь. Варку стекла осуществляют при температуре 900±50°C с выдержкой при максимальной температуре в течение 30 мин до полного провара и осветления стекломассы. Скорость подъема температуры в печи 300°C в час.

Конкретные составы и свойства предлагаемого стекла и стекла-прототипа представлены в таблицах 1, 2.

Составы, находящиеся за пределами заявляемой области, не могут быть использованы для этой цели, так как кристаллизуются при выработке, либо опалесцируют, теряя свою прозрачность.

Сопоставляя предлагаемое стекло и стекло-прототип, видно, что в отличие от прототипа предлагаемое стекло характеризуется качественно новым химическим составом стеклянной матрицы, содопированной трехвалентными редкоземельными ионами европия и иттербия, и имеет более высокие спектроскопические показатели. Так, параметры Джадда-Офельта предлагаемого стекла значительно, в 3-8 раз, выше, чем у стекла-прототипа, что подтверждает прочность химической связи ионов европия и иттербия с лигандами, обеспечивающей прочность структуры стекла и высокую эффективность излучательных процессов этих ионов в стекле.

Предлагаемое стекло характеризуется интенсивной ап-конверсионной люминесценцией, обусловленной переходом 5D07F2 иона Eu3+, и обладает свойством преобразовывать инфракрасное лазерное излучение в видимое насыщенное оранжево-красное в области длины волны λ-612 нм. Преимуществом предлагаемого стекла является качественно новый химический состав, обеспечивающий интенсивную ап-конверсионную люминесценцию.

Таким образом, люминесцирующее стекло предлагаемого состава способно преобразовывать инфракрасное излучение в видимое и обладает интенсивной ап-конверсионной люминесценцией в спектральной области 612 нм, что дает возможность эффективно использовать его в качестве активного материала в ап-конверсионных лазерах, люминофорах и преобразователях инфракрасного излучения в видимое (оранжево-красное).

Источники информации

1. Патент РФ №2 383503 C1, МПК C03C 3/253, 2008, опубл. 10.03.2010.

2. Патент США №4806268 Luminescing glasses, 1989.

3. Y. Dwivedi, S.N. Thakur, S.B. Rai / Study of Frequency Upconversion in Yb3+/Eu3+ by Cooperative Energy Transfer in Oxyfluoroborate Glass Matrix // Appl. Phys. В 89, 2007, P. 45-51 (прототип).

Люминесцирующее стекло, включающее Eu2O3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит SiO2, PbO, PbF2, CdF2 и YbF3 при следующем соотношении компонентов, мол.%:

SiO2 35,0-42,0
PbO 15,0-20,0
PbF2 27,5-32,0
CdF2 8,0-15,0
Eu2O3 0,5-1,5
YbF3 1,0-2,5



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии получения сцинтилляционных неорганических материалов для измерения ионизирующего изучения на основе силикатных стекол и стеклокомпозитов, активированных ионами церия, в частности к материалам для регистрации нейтронов.

Изобретение относится к технологии получения люминесцентных стекол на основе силикатных, боросиликатных, боратных стекол и стеклокомпозитов, активированных редкоземельными ионами, в частности ионами Ce, Pr и Eu, для их использования в преобразователях энергии возбуждения в световое излучение видимого или УФ-диапазона.
(57) Изобретение относится к составам оптических стекол и может быть использовано в лазерных системах в качестве активных сред ап-конверсионных лазеров с диодной накачкой, преобразующих инфракрасное лазерное излучение в видимую область, а именно в зеленую область спектра.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к способу локальной нанокристаллизации легированных стекол под действием лазерного излучения.

Изобретение относится к оптическим материалам, в частности к составам Yb-содержащих оптических стекол, которые могут использоваться в качестве активных сред лазеров (в том числе волоконных), генерирующих в ближней инфракрасной области спектра. Техническим результатом изобретения является создание стекла, характеризующегося интенсивной широкополосной люминесценцией в ближней инфракрасной области спектра и пригодного для использования в качестве активной среды лазера.

Изобретение относится к области люминесцентных стекол для преобразования ультрафиолетового излучения в белый цвет. Техническим результатом изобретения является создание люминесцентного стекла с высокой прозрачностью в видимом диапазоне.

Изобретение относится к оптическому стеклу и может быть использовано для создания оптических усилителей в диапазоне длин волн второго окна прозрачности (1260-1360 нм) волоконных световодов на основе магнийалюмокварцевого стекла.

Изобретение относится к оптическим материалам, в частности к плавленому алюмоборатному стеклу, активированному трехзарядными ионами церия (Се3+) и тербия (Tb3+), которое может использоваться в качестве визуализатора ультрафиолетовых изображений и светового трансформатора из ультрафиолетовой в желто-зеленую область спектра.

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

Изобретение относится к фторидным оптическим стеклам, обладающим способностью к люминесценции в диапазоне 1000-1700 нм при возбуждении излучением с длинами волн в пределах 400-1100 нм.

Изобретение относится к оптическим материалам, в частности к составам Yb-содержащих оптических стекол, которые могут использоваться в качестве активных сред лазеров (в том числе волоконных), генерирующих в ближней инфракрасной области спектра. Задачей предлагаемого изобретения является создание стекла, характеризующегося эффективной широкополосной люминесценцией с барицентром при λ≈1000 нм и пригодного для использования в качестве активной среды лазера. Таким стеклом является люминесцирующее фосфатное стекло, содержащее оксиды фосфора (Р2О5), кремния (SiO2), алюминия (Al2O3), бора (В2О3), калия (K2O), бария (ВаО) и иттербия (Yb2O3)2 при следующем соотношении компонентов, масс. %: (55-65) P2O5, (1-4) SiO2, (5-10) Al2O3, (8-12) B2O3, (10-14) K2O, (8-12) ВаО и (0,5-15) Yb2O3. 1 табл., 2 ил.
Наверх