Люминесцирующее фосфатное стекло



Люминесцирующее фосфатное стекло
Люминесцирующее фосфатное стекло
Люминесцирующее фосфатное стекло

 


Владельцы патента RU 2576761:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) (RU)
Государственное научное учреждение "Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)

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.

 

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.

Известно иттербиевое фосфатное стекло состава, мол. %: 60-75 Р2О5, 10-30 Yb2O3, 0-30 комбинация двух или более компонентов X2O3, R2O, МО; здесь Х2О3 представляет 0-26 мол. %, а X выбирается из Al, В, La, Sc, Y и их смеси; R2O представляет 0-26 мол. %, а R выбирается из Li, Na, K и их смеси; МО представляет 0-26 мол. %, а М выбирается из Mg, Са, Sr, Ва, Zn и их смеси (Ytterbium-phosphate glass, патент US 7531473 В2).

Недостатками известного стекла являются низкие влагостойкость и термопрочность, а также высокие потери на кооперативную люминесценцию ионов Yb3+, что затрудняет его использование в полевых условиях и мешает получению эффективной генерации при высоком уровне накачки.

Известно стекло состава, мол. %: 22 MgF2, 32-52 BaF2, 5-25 PbF2, 20 Al(PO3)3, 1 YbF3 (Yb3+ doped fluorine phosphorous glass with high crystallization stability and preparing method thereof, патент CN 101269913 (А) от 2008.09.24).

Основным недостатком известного стекла является низкая концентрация ионов Yb3+, что не позволяет получать высокую удельную мощность генерации.

Известно люминесцирующее германатное стекло состава, мол. %: (40-60) GeO2, (0,01-5) Er2O3, (l-28) Yb2O3, (15-30) В2О3, (1-5) Al2O3, (1-25) La2O3 (BY 12472).

Недостатком известного стекла является трудность получения генерации на ионах Yb3+ из-за передачи возбуждений с них на ионы Еr3+.

Известно люминесцирующее кварцевое стекло состава, масс. %: (88-96) SiO2, (3-9) Yb2O3, (1-3) Rb2O по пункту 1 и (87-95) SiO2, (3-9) Yb2O3, (1-2) Rb2O, (l-2) Cs2O по пункту 2 (BY 16901).

Недостатком известного стекла является относительно высокая интенсивность кооперативной люминесценции ионов Yb3+ (λ≈500 нм), что мешает получению эффективной генерации при высоком уровне накачки.

Наиболее близким к заявляемому стеклу по технической сущности является стекло состава, масс. %: (55-65) P2O5, (8-12) ВаО, (10-15) K2O, (1-4) SiO2, (5-10) Al2O3, (2-6) B2O3, (0,l-4,5) Nd2O3 (RU 2426701).

Недостатком прототипа является отсутствие люминесценции в широкой полосе с барицентром при λ≈1000 нм и соответственно невозможность получения перестраиваемой генерации в спектральной области 980-1040 нм, а также относительно большой сдвиг (≥170 нм) между полосами поглощения и генерации, что ведет к значительным стоксовым потерям. Это не позволяет использовать прототип в качестве активной среды лазеров, генерирующих в указанной области спектра с малыми стоксовыми потерями.

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.

Для решения поставленной задачи люминесцирующее фосфатное стекло, содержащее оксиды фосфора (Р2О5), кремния (SiO2), алюминия (Al2O3), бора (B2O3), калия (K2O) и бария (ВаО), дополнительно содержит оксид иттербия (Yb2O3)2 при следующем соотношении компонентов, масс. %: (55-65) P2O5, (1-4) SiO2, (5-10) Al2O3, (8-12) В2О3, (10-14) K2O, (8-12) ВаО и (0,5-15) Yb2O3.

Для синтеза данного люминесцирующего фосфатного стекла (далее по тексту - стекла) использовались следующие исходные материалы: ортофосфорная кислота Н3РО4 и оксид кремния SiO2 квалификации ОСЧ, оксид иттербия Yb2O3 квалификации (Е), остальные реактивы квалификации ХЧ. Использовалась двухстадийная технология варки. На первой стадии осуществлялась варка фритты в электрической печи шахтного типа в кварцевом сосуде с размешиванием расплава кварцевой мешалкой. На второй стадии проводился перевар полученной фритты в индукционной печи в платиновом тигле с перемешиванием расплава платиновой мешалкой и выработка стекломассы в блок через донный патрубок. На этой же стадии осуществлялось барботирование стекломассы сухим кислородом для снижения концентрации ОН--групп. Температура варки фритты и стекла составляла 1300°C.

Уменьшение концентрации Yb2O3 ниже заявляемой нецелесообразно из-за низкой интенсивности люминесценции. Увеличение концентрации Yb2O3 сверх заявляемой нецелесообразно из-за снижения квантового выхода люминесценции. Изменение концентрации остальных ингредиентов в заявляемых пределах слабо влияет на спектр и квантовый выход люминесценции заявляемого стекла.

Составы (по синтезу) заявляемого стекла, значения коэффициента поглощения k в максимуме чисто электронного перехода (λ≈975 нм), средней длительности затухания люминесценции τ ¯ = I max 1 I ( t ) d t ионов Yb3+ и квантового выхода люминесценции последних η = τ ¯ / τ 0 сведены в таблицу. Здесь I - интенсивность люминесценции, τ0 - радиационное время жизни метастабильного состояния Yb3+, определяемое по известной формуле 1 / τ ¯ 0 = g j 8 π c n 2 g i N λ i j 4 k i j ( λ ) d λ , где g - статистический вес соответствующего энергетического состояния, n - показатель преломления стекла (определялся иммерсионным методом). Коэффициент поглощения синтезированных стекол в области основного колебания связи О-Н (λ=3000 см-1) составлял 2,2-3,0 см-1. При определении τ ¯ возбуждение осуществлялось моноимпульсным излучением лазера на сапфире с титаном (λ=910 нм, длительность импульса ≈10 нс), регистрация производилась при λ=976 нм, толщина образцов по мере повышения концентрации Yb2O3 снижалась с 0,5 до 0,1 мм.

На фигурах 1 и 2 для образца 2 изображены соответственно спектр поглощения и «квантовый» спектр люминесценции при длине волны возбуждения 910 нм.

Видно (см. фигуры 1 и 2), что заявляемое стекло характеризуется слабоструктурными широкими полосами поглощения и люминесценции с барицентрами при λ≈965 и 1000 нм соответственно. Квантовый выход его люминесценции (см. таблицу) при концентрации Yb2O3 менее или равной 6 масс. % превышает 80% и сохраняет достаточно высокое значение (≈39%) при концентрации оксида активатора 15 масс. %. Заявляемое стекло характеризуется низкой склонностью к кристаллизации, устойчиво к воздействию влажной атмосферы и пятнающих агентов.

Таким образом, заявляемое стекло в отличие от прототипа характеризуется эффективной широкополосной люминесценцией с барицентром при λ≈1000 нм и малым стоксовым сдвигом (≈35 нм) между барицентрами полос поглощения и люминесценции, что позволяет использовать его для получения перестраиваемой генерации с низкими стоксовыми потерями в спектральной области 980-1040 нм. Это обеспечивает заявляемому стеклу преимущество в качестве активного элемента при получении оптической генерации в указанной области спектра.

Люминесцирующее фосфатное стекло, содержащее оксиды фосфора (P2O5), кремния (SiO2), алюминия (Al2O3), бора (B2O3), калия (K2O) и бария (ВаО), отличающееся тем, что дополнительно содержит оксид иттербия (Yb2O3) при следующем соотношении компонентов, масс %:

P2O5 55-65
SiO2 1-4
Al2O3 5-10
B2O3 2-6
K2O 10-14
ВаО 8-12
Yb2O3 0,5-15



 

Похожие патенты:

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.

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 оптическим материалам для мощных высокоэнергетических импульсных усилительных установок. Такими материалами являются фосфатные стекла особых составов, из которых изготавливаются поглощающие оболочки (ПО) для приклеивания к боковым граням крупногабаритных дисковых активных элементов (ДАЭ), выполненных из концентрированных неодимовых фосфатных стекол.
Изобретение относится к области оптического материаловедения. .
Изобретение относится к области производства стекол для квантовой электроники, оптической электроники, светотехники. .

Стекло // 1645245
Изобретение относится к составам теплопоглощакчщих стекол, которые могут быть иопользоезны для медико-биологических и строительных целей. .

Изобретение относится к составам цветных оптических стекол, которы е могут быть использованы для изготовления светофильтров, поглощающих область спектра 580-1500 нм крутой границей поглощения, обеспечивающей величину оптической плотности порядка 3-5 на длине волны 700 нм.
Наверх