Фосфатное стекло

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к фосфатным стеклам, которые могут использоваться в качестве активных сред лазеров (в том числе волоконных) и усилителей лазерных импульсов сверхкороткой длительности, генерирующих в ближней инфракрасной области спектра. Технический результат - обеспечение эффективной широкополосной люминесценции в интервале длин волн 980-1070 нм и пригодность для использования в качестве активной среды лазера и лазерных усилителей. Фосфатное стекло, содержащее оксиды фосфора Р2О5, кремния SiO2, алюминия Al2O3, бора B2O3, неодима Nd2O3, калия К2О и бария ВаО, дополнительно содержит оксид иттербия Yb2O3 при следующем соотношении компонентов, мол.%: P2O5 45,32-56,78, SiO2 1,98-9,73, Al2O3 6,05-11,67, B2O3 5,35-20,5, K2O 12,41-18,43, ВаО 6,1-9,71, Yb2O3 0,15-0,59, Nd2O3 0,73-1,52. 8 пр., 1 табл., 1 ил..

 

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к фосфатным стеклам, которые могут использоваться в качестве активных сред лазеров (в том числе волоконных) и усилителей лазерных импульсов сверхкороткой длительности, генерирующих в ближней инфракрасной области спектра.

Известно иттербиевое фосфатное стекло состава, мол.%: 60-75 Р2О5, 10-30 Yb2O3, 0-30 комбинация компонентов X2O3, R2O, МО. X2O3 может присутствовать в концентрации 0-26 мол.%, а X соответствует Al, В, La, Sc, Y, или их смеси. R2O может присутствовать в концентрации 0-26 мол.%, a R соответствует Li, Na, K, или их смеси. МО может присутствовать в концентрации 0-26 мол.%, а М соответствует Mg, Са, Sr, Ва, Zn, или их смеси (Ytterbium-phosphate glass, патент US 7,531,473 В2).

Недостатками известного стекла являются низкие влагостойкость и термопрочность, а также высокие потери на кооперативную люминесценцию ионов Yb3+ и отсутствие люминесценции вблизи длины волны 1065 нм, что затрудняет его использование в полевых условиях и мешает получению эффективной генерации при высоком уровне накачки в широком диапазоне.

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 CN101269913 (А) от 2008-09-24).

Основным недостатком известного стекла является низкая концентрация ионов Yb3+ и полное отсутствие ионов Nd3+, что не позволяет получать высокую удельную мощность генерации и широкую полосу люминесценции.

Наиболее близким к заявляемому стеклу по технической сущности является стекло состава, мас. %: (55-65) P2O5, (8-12) ВаО, (10-15) K2O, (1-4) SiO2, (5-10) Al2O3, (2-6) B2O3, (0,1-4,5) Nd2O3 (RU 2426701). Данное стекло обладает временем затухания люминесценции, равным 279 мкс, и эффективной шириной полосы люминесценции, равной 27 нм, при концентрации ионов Nd3+, равной 3.074⋅1020 1/см3.

Недостатком прототипа является невозможность получения лазерной генерации в широкой спектральной области 980-1070 нм.

Задачей предлагаемого изобретения является создание стекла, характеризующегося полосой люминесценции с эффективной шириной не менее 90 нм и пригодного для использования в качестве активной среды лазерных устройств, работающих в режиме получения импульсов сверхкороткой длительности, и усилителей чирпированных фемто- и пикосекундных лазерных импульсов.

Для решения поставленной задачи люминесцирующее фосфатное стекло, содержащее оксиды фосфора Р2О5, кремния SiO2, алюминия Al2O3, бора В2О3, неодима Nd2O3, калия К2О и бария ВаО, дополнительно содержит оксид иттербия Yb2O3 при следующем соотношении компонентов, мол.%: (45,32-56,78) P2O5, (1,98-9,73) SiO2, (6,05-11,67) Al2O3, (5,35-20,5) B2O3, (12,41-18,43) К2О, (6,1-9,71) ВаО, (0,15-0,59) Yb2O3, (0,73-1,52) Nd2O3.

Для синтеза данного оптического фосфатного стекла (далее по тексту - стекла) использовались следующие исходные материалы: ортофосфорная кислота Н3РО4 (ХЧ), оксид кремния SiO2 квалификации ОСЧ, оксид иттербия Yb2O3 и оксид неодима (Nd2O3) квалификации ОСЧ, остальные реактивы квалификации ХЧ. Использовалась двухстадийная технология варки. На первой стадии осуществлялась варка стекольной 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 барботированием стекломассы сухим кислородом для снижения концентрации ОН--групп. Температура варки фритты и стекла составляла 1350°С.

Уменьшение концентраций Yb2O3 и Nd2O3 ниже заявляемых нецелесообразно из-за низкой интенсивности люминесценции. Увеличение концентрации Yb2O3 сверх заявляемой нецелесообразно из-за изменения спектра люминесценции. Изменение концентрации остальных компонентов в заявляемых пределах слабо влияет на спектр и время жизни люминесценции заявляемого стекла.

Составы (по синтезу) заявляемого стекла и средние длительности затухания люминесценции сведены в таблицу 1. Коэффициент поглощения синтезированных стекол в области основного колебания групп О-Н (λ=3000 см-1) составлял 2,2-3,0 см-1.

На фигуре 1 изображены спектры люминесценции при длине волны возбуждения 532 нм для образца №7 (1) и прототипа (2). Из спектров люминесценции образца и прототипа видно, что образец заявляемого стекла обладает более широкой полосой люминесценции, чем прототип.

Заявляемое стекло характеризуется низкой склонностью к кристаллизации и устойчивостью к воздействию влажной атмосферы.

Пример 1. Образец фосфатного стекла, включающий (мол.%) 56,78 P2O5, 2,06 SiO2, 6,19 Al2O3, 14,25 B2O3, 6,47 ВаО, 13,16 K2O, 0,77 Nd2O3, 0,31 Yb2O3, получен переваркой с барботированием осушенным кислородом при 1350°С в платиновом тигле фриты стекла, сваренного при температуре 1350°С в электрической печи с SiC нагревателями шахтного типа, в тигле из кварцевого стекла объемом 300 мл. Смесь порошкообразных сырьевых материалов предварительно перемешали в пластиковом сосуде в течение 2 часов на валковой мельнице, далее получившуюся однородную смесь смешали с ортофосфорной кислотой, для прохождения реакций образования фосфатов. Загрузку жидкой шихты в тигель производили при температуре 1000°С малыми порциями. После провара стекло вырабатывалось на стальную плиту, покрытую тонким слоем графита. Полученную отливку раскалывали для отбраковки неоднородных участков стекла. После отбора кусков фриты производилась варка стекла в платиновом тигле с барботированием кислородом в течение 1 часа. Расплав стекла вырабатывался на разогретую до 450°С стальную плиту. Отливка стекла отжигалась в муфельной печи в течение 4 часов с последующим инерционным снижением температуры. Полученный материал имеет полосу люминесценции с эффективной шириной, равной 92 нм. Длительность затухания люминесценции составила 1142 мкс.

Пример 2. Фосфатное стекло, полученное в соответствии с режимом варки примера 1, отличающееся изменением состава стекла. Состав стекла (по синтезу) из примера 2 включает в себя оксиды (мол.%) 45,32 P2O5, 9,73 SiO2, 11,67 Al2O3, 13,44 B2O3, 6,1 ВаО, 12,41 K2O, 0,73 Nd2O3, 0,59 Yb2O3. Полученный материал имеет полосу люминесценции с эффективной шириной, равной 90,5 нм. Длительность затухания люминесценции составила 764 мкс.

Пример 3. Фосфатное стекло, полученное в соответствии с режимом варки примеров 1 и 2, отличающееся изменением состава стекла. Состав стекла (по синтезу) из примера 3 включает в себя оксиды (мол.%) 47 P2O5, 4,04 SiO2, 6,05 Al2O3, 13,94 B2O3, 9,49 ВаО, 18,03 K2O, 1,14 Nd2O3, 0,31 Yb2O3. Полученный материал имеет полосу люминесценции с эффективной шириной, равной 92,5 нм. Длительность затухания люминесценции составила 946 мкс.

Пример 4. Фосфатное стекло, полученное в соответствии с режимом варки примеров 1-3, отличающееся изменением состава стекла. Состав стекла (по синтезу) из примера 4 включает в себя оксиды (мол.%) 46,08 P2O5, 1,98 SiO2, 7,12 Al2O3, 20,5 B2O3, 7,76 ВаО, 15,15 K2O, 1,11 Nd2O3, 0,3 Yb2O3. Полученный материал имеет полосу люминесценции с эффективной шириной, равной 91,5 нм. Длительность затухания люминесценции составила 982 мкс.

Пример 5. Фосфатное стекло, полученное в соответствии с режимом варки примеров 1-4, отличающееся изменением состава стекла. Состав стекла (по синтезу) из примера 5 включает в себя оксиды (мол.%) 51,42 P2O5, 5,06 SiO2, 6,07 Al2O3, 15,73 B2O3, 7,14 ВаО, 12,91 K2O, 1,52 Nd2O3, 0,15 Yb2O3. Полученный материал имеет полосу люминесценции с эффективной шириной, равной 90,2 нм. Длительность затухания люминесценции составила 875 мкс.

Пример 6. Фосфатное стекло, полученное в соответствии с режимом варки примеров 1-5, отличающееся изменением состава стекла. Состав стекла (по синтезу) из примера 6 включает в себя оксиды (мол.%) 52,01 P2O5, 5,12 SiO2, 9,21 Al2O3, 7,07 B2O3, 8,02 ВаО, 17,63 K2O, 0,77 Nd2O3, 0,16 Yb2O3. Полученный материал имеет широкую полосу люминесценции с эффективной шириной, равной 92 нм. Длительность затухания люминесценции составила 936 мкс.

Пример 7. Фосфатное стекло, полученное в соответствии с режимом варки примеров 1-6, отличающееся изменением состава стекла. Состав стекла (по синтезу) из примера 7 включает в себя оксиды (мол.%) 49,92 P2O5, 6,1 SiO2, 9,76 Al2O3, 7,02 B2O3, 7,97 ВаО, 18,16 K2O, 0,76 Nd2O3, 0,31 Yb2O3. Полученный материал имеет широкую полосу люминесценции с эффективной шириной, равной 94 нм. Длительность затухания люминесценции составила 1153 мкс.

Пример 8. Фосфатное стекло, полученное в соответствии с режимом варки примеров 1-7, отличающееся изменением состава стекла. Состав стекла (по синтезу) из примера 8 включает в себя оксиды (мол.%) 48,94 P2O5, 6,19 SiO2, 9,91 Al2O3, 5,35 B2O3, 9,71 ВаО, 18,43 K2O, 1,16 Nd2O3, 0,31 Yb2O3. Полученный материал имеет широкую полосу люминесценции с эффективной шириной, равной 91,6 нм. Длительность затухания люминесценции составила 973 мкс.

Таким образом, заявляемое стекло в отличие от прототипа характеризуется эффективной широкополосной люминесценцией, что позволяет использовать его для получения перестраиваемой генерации в спектральной области 980-1070 нм. Это обеспечивает заявляемому стеклу преимущество в качестве активного элемента при получении оптической генерации или ее усиления в указанной области спектра.

Фосфатное стекло, содержащее оксиды фосфора Р2О5, кремния SiO2, алюминия Al2O3, бора B2O3, неодима Nd2O3, калия К2О и бария ВаО, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит оксид иттербия Yb2O3 при следующем соотношении компонентов, мол.%:

P2O5 45,32-56,78
SiO2 1,98-9,73
Al2O3 6,05-11,67
B2O3 5,35-20,5
K2O 12,41-18,43
ВаО 6,1-9,71
Yb2O3 0,15-0,59
Nd2O3 0,73-1,52



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к люминесцентным материалам. Технический результат изобретения заключается в повышении квантового выхода люминесценции стекол с переходными металлами.

Изобретение относится к оптическим материалам, в частности к материалам, прозрачным в видимой области спектра, с высоким поглощением в ИК области спектра. Технический результат – повышение поглощения в ближней ИК-области.

Изобретение относится к технологии новых оптических стеклообразных кварцоидных материалов, обладающих люминесценцией в широком спектральном диапазоне, и может быть использовано в производстве волоконных световодов с лазерной генерацией в инфракрасном спектральном диапазоне и различных устройств на их основе для оптимизации элементов волоконно-оптических линий связи.

Изобретение относится к прозрачным стеклокристаллическим оксидным материалам, которые могут использоваться в качестве активной части конверторов в видимую область спектра УФ излучения солнечно-слепого диапазона.

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.

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 производству стекол, используемых, преимущественно, в электронной и радиотехнической промышленности. Легкоплавкое стекло содержит, мас.

Изобретение относится к стеклам, предназначенным для применения в твердотельных лазерах, в частности в короткоимпульсных лазерах с высокой пиковой мощностью. Технический результат – увеличение ширины полосы излучения редкоземельных ионов, используемых в качестве генерирующих ионов в активных средах твердотельных лазеров на стекле, особенно в композициях стекол на фосфатной основе.

Стекло // 2614762
Изобретение касается составов стекла, которое может быть использовано для изготовления ваз, декоративных панно, сувениров. Стекло содержит, мас.%: PbO 31,0-32,0; TiO2 3,0-4,0; ZrO2 3,5-4,5; K2O 1,6-2,53; Na2O 1,0-2,1; Al2O3 1,0-1,8; SiO2 29,5-30,4; BaO 17,82-18,76; CaO 3,7-4,5; Nb2O5 1,48-2,22; SnO2 1,74-1,98.

Стекло // 2612380
Изобретение относится к производству стекол, которые могут быть использованы, например, для изготовления плафонов люстр. Стекло содержит, мас.
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 составам стекла, используемого в оптическом приборостроении. .
Изобретение относится к составам стекол, используемых в производстве оптических приборов, лазерной технике. .
Стекло // 2316485
Изобретение относится к составам стекла, используемого, преимущественно, в электротехнике. .
Изобретение относится к составам стекловидных покрытий для нанесения на строительные материалы на основе гидравлических, жидкостекольных, фосфатных вяжущих. .
Наверх