люминесцирующее кварцевое стекло
Классы МПК: | C03C3/06 с более чем 90% кремнезема по весу, например кварц C03C4/12 для люминесцентного стекла; для флуоресцентного стекла B82B1/00 Наноструктуры |
Автор(ы): | Малашкевич Георгий Ефимович (BY), Ковгар Виктория Викторовна (BY), Пестряков Ефим Викторович (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное научное учреждение "Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY), Учреждение Российской академии наук "Институт лазерной физики Сибирского отделения РАН" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2011-08-31 публикация патента:
20.05.2013 |
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. Техническим результатом изобретения является создание стекла с высокой эффективностью люминесценции в спектральной области с ~0,99-1,06 мкм и спектром люминесценции, типичным для одноцентровых систем. Использование такого стекла в качестве активного элемента лазеров либо усилителей позволит понизить нестабильность спектра излучения, связанную с неоднородным уширением, типичным для стекловидных матриц. Таким стеклом является стекло следующего состава, мас.%: 1. SiO2 88,0-96,0; Yb 2О3 3,0-9,0; Rb2O 1,0-3,0; или 2. SiO2 87,0-95,0; Yb2О3 3,0-9,0; Rb2O 1,0-2,0; Cs2O 1,0-2,0. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.
Формула изобретения
1. Люминесцирующее кварцевое стекло, содержащее двуокись кремния, отличающееся тем, что дополнительно содержит окись иттербия и окись рубидия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
SiO2 88,0-96,0
Yb2O3 3,0-9,0
Rb2O 1,0-3,0
2. Люминесцирующее кварцевое стекло, содержащее двуокись кремния, отличающееся тем, что дополнительно содержит окись иттербия, окись рубидия и окись цезия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
SiO 2 87,0-95,0
Yb2O3 3,0-9,0
Rb2O 1,0-2,0
Cs2O 1,0-2,0
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к легированным стеклам, в частности к кварцевому стеклу с наночастицами оксида иттербия (Yb2 O3), полученному по золь-гель процессу, которое может использоваться в качестве активного материала лазеров и усилителей ближнего инфракрасного диапазона ( ~0,99-1,06 мкм).
Известно иттербиевое фосфатное стекло (US № 7531473 В2, 2009, CI), включающее до 30 мол. % Yb2 O3. Недостатком известного стекла являются присущие фосфатным стеклам низкие эксплуатационные параметры.
Известно люминесцирующее кварцевое стекло (BY № 11772, 2009), включающее (мас.%) 95,0-99,4 SiO2 , 0,5-4,0 CeO2, 0,1-1,0 Ho2O3 , причем атомарное отношение Се/Но составляет не менее 1. Недостатком известного стекла является невозможность его использования в качестве активного материала лазеров и усилителей для спектральной области с ~0,99-1,06 мкм из-за отсутствия соответствующей полосы люминесценции.
Известно люминесцирующее кварцевое стекло (BY № 6615, 2004), включающее (мас.%) 95,0-99,8 SiO2 , 0,1-2,0 Nd2O3, 0,1-3,0 Ce2 O3, причем атомарное соотношение Ce/Nd составляет не менее 1. Недостатком известного стекла является малая пригодность его для использования в качестве активного материала лазеров и усилителей для спектральной области с ~0,99-1,06 мкм из-за более длинноволнового положения полосы люминесценции (от 1,02 мкм до 1,10 мкм, полоса 4F3/2 4I11/2 ионов Nd3+) и наличия в стекле ионов Се3+, тушащих люминесценцию Nd 3+ по кооперативному процессу Nd3+(4 F3/2 4I11/2):2Ce3+(2 F5/2 2F7/2).
Наиболее близким к заявляемому стеклу по технической сущности является люминесцирующее гельное кварцевое стекло (BY № 9281, 2007), включающее (мас.%) 96,000-99,299 SiO2 , 0,2-2,0 Sm2O3, 0,001-0,010 ОН- , 0,5-2,0 Ag2O.
Недостатком прототипа является непригодность его использования в качестве активного материала лазеров и усилителей для спектральной области с ~0,99-1,06 мкм из-за низкого коэффициента ветвления люминесценции ( 10%) в приходящиеся на эту область переходы 4 G5/2 6F5/2,7/2 ионов Sm3+ и наложения на нее абсорбционной полосы 5H5/2 6F9/2 таких ионов, а также эффективного кроссрелаксационного тушения люминесценции.
Задачей предлагаемого изобретения является создание стекла с высокой эффективностью люминесценции в спектральной области с ~0,99-1,06 мкм и спектром люминесценции, типичным для одноцентровых систем. Использование такого стекла в качестве активного элемента лазеров либо усилителей позволит понизить нестабильность спектра излучения, связанную с неоднородным уширением, типичным для стекловидных матриц.
Поставленная задача решается следующим образом.
1. Люминесцирующее кварцевое стекло, содержащее двуокись кремния, дополнительно содержит окись иттербия и окись рубидия при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO2 88,0-96,0; Yb2 O3 3,0-9,0; Rb2O 1,0-3,0;
2. Люминесцирующее кварцевое стекло, содержащее двуокись кремния, дополнительно содержит окись иттербия, окись рубидия и окись цезия при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO2 87,0-95,0; Yb2O3 3,0-9,0; Rb2 O 1,0-2,0; Cs2O 1,0-2,0.
Введение Rb 2O(Cs2O) позволяет повысить в стекле концентрацию Yb2O3 при сохранении его прозрачности и сформировать наночастицы оксида иттербия, характеризующиеся эффективной миграцией возбуждении между ионами Yb3+ и отсутствием OH--групп, тушащих люминесценцию последних.
Стекло получали прямым золь-гель методом, включающим следующие этапы:
- гидролиз тетраэтилортосиликата Si(OC 2H5)4 в водно-спиртовой среде в присутствии соляной кислоты НС1, используемой в качестве катализатора, до получения золя;
- диспергирование в золе с помощью ультразвуковой установки аэросила, который используется как наполнитель для уменьшения растрескивания ксерогелей;
- очистку полученного золь-коллоида от примесей и грита методом центробежной сепарации;
- нейтрализацию среды водным раствором аммиака;
- сушку в термошкафу;
- термообработку;
- пропитку ксерогеля раствором легирующих соединений;
- сушку в термошкафу;
- спекание ксерогеля до состояния прозрачного стекла при T 1150°С.
Уменьшение концентрации Yb 2O3 ниже заявляемой нецелесообразно из-за невысокого линейного коэффициента поглощения в канале накачки (переход 2F7/2 2F5/2 ионов Yb3+). Увеличение концентрации Yb2O3 сверх заявляемой нецелесообразно из-за снижения прозрачности стекла. Уменьшение концентрации Rb 2O(Cs2O) ниже заявляемой нецелесообразно из-за снижения прозрачности стекла и повышения температуры его спекания. Увеличение концентрации Rb2O(Cs2O) выше заявляемой нецелесообразно из-за снижения прозрачности стекла.
Составы заявляемого стекла, значения линейного коэффициента поглощения k при длине волны возбуждения ( =910 нм) и относительная интегральная интенсивность люминесценции I в полосе 2F5/2 2F7/2 ионов Yb приведены в таблице.
Таблица | ||||||
№ образца | Состав, мас.% | k при =910 нм, см-1 | I, отн. ед. | |||
SiO2 | Yb2O3 | Rb2O | CS2O | |||
1 | 96,0 | 3,0 | 1,0 | - | 0,25 | 0,26 |
2 | 92,5 | 5,0 | 2,5 | - | 0,48 | 0,49 |
3 | 88,0 | 9,0 | 3,0 | - | 1,03 | 0,96 |
4 | 87,0 | 9,0 | 2,0 | 2,0 | 1,06 | 1,0 |
5 | 92,5 | 5,0 | 1,2 | 1,3 | 0,49 | 0,47 |
6 | 95,0 | 3,0 | 1,0 | 1,0 | 0,27 | 0,27 |
На фигурах 1 и 2 изображены для образца 2 соответственно спектр светоослабления и нормированные путем приведения в максимуме к единице «квантовые» спектры стоксовой (кривая 7) и антистоксовой (кривая 2) люминесценции (возбуждение при =910 нм).
Видно, что заявляемое стекло в пределах ошибки эксперимента характеризуется линейной зависимостью I(k), свидетельствующей о несущественном концентрационном тушении люминесценции, и типичными для Yb-содержащих стекол спектрами поглощения и инфракрасной люминесценции. Кроме того, заявляемые стекла проявляют сравнительно интенсивную полосу кооперативной антистоксовой люминесценции и независимость спектра люминесценции от длины волны возбуждения, что свидетельствует о высокой доле ионов Yb3+ связанных мостиковым кислородом, и наличии между этими ионами сильных взаимодействий. Последний факт сближает ансамбль оптических центров активатора с одноцентровой системой и снижает нестабильность спектра излучения, связанную с неоднородным уширением, при использовании данного стекла в качестве активного элемента лазеров и усилителей.
Таким образом, заявляемое люминесцирующее кварцевое стекло отличается от прототипа наличием широкой (полуширина 66 нм) полосы люминесценции с максимумом при 1005 нм и несущественным концентрационным тушением люминесценции. Эти характеристики обеспечивают заявляемому стеклу преимущества при использовании его в качестве активного элемента лазеров и усилителей для области ~0,99-1,06 мкм, а наличие между ионами Yb3+ в таком стекле сильных взаимодействий снижает нестабильность спектра излучения, связанную с неоднородным уширением.
Класс C03C3/06 с более чем 90% кремнезема по весу, например кварц
люминесцирующее кварцевое стекло - патент 2495836 (20.10.2013) | |
люминесцирующее стекло - патент 2490221 (20.08.2013) | |
легированное кварцевое стекло с тетраэдрической координацией атомов титана - патент 2477711 (20.03.2013) | |
устойчивое к высоким температурам неорганическое волокно на основе оксида кремния и способ его производства - патент 2469001 (10.12.2012) | |
сырьевая смесь - патент 2455244 (10.07.2012) | |
оптическое стекло из гетероэлектрика - патент 2299867 (27.05.2007) | |
оптическое стекло - патент 2209785 (10.08.2003) | |
стекло - патент 2169124 (20.06.2001) |
Класс C03C4/12 для люминесцентного стекла; для флуоресцентного стекла