ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩЕЕ СТЕКЛО
LUMINESCING GLASS

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.
2
5
2
3
2
3
2
2
3
2
Известно иттербиевое фосфатное стекло состава, мол. %: 60-75 PO, 10-30 YbO, 0-30 комбинация двух или более компонентов XO, RO, MO; здесь XO представляет 0-26 мол. %, а Х выбирается из Al, В, La, Sc, Y и их смеси; RO представляет 0-26 мол.%, а R выбирается из Li, Na, K и их смеси; MO представляет 0-26 мол.%, а M выбирается из Mg, Ca, Sr, Ba, Zn и их смеси (Ytterbium-phosphate glass, патент US 7,531,473 B2).
3+
Недостатками известного стекла являются низкие влагостойкость и термопрочность, а также высокие потери на кооперативную люминесценцию ионов Yb, что затрудняет его использование в полевых условиях и мешает получению эффективной генерации при высоком уровне накачки.
2
2
2
3
3
3
3+
Известно стекло состава, мол.%: 22 MgF, 32-52 BaF, 5-25 PbF, 20 Al(PO), 1 YbF (Yb doped fluorine phosphorous glass with high crystallization stability and preparing method thereof, патент CN 101269913 (A) от 2008-09-24).
3+
Основным недостатком известного стекла является низкая концентрация ионов Yb, что не позволяет получать высокую удельную мощность генерации.
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Известно люминесцирующее германатное стекло состава, мол.%: (40-60) GeO, (0,01-5) ErO, (1-28) YbO, (15-30) BO, (1-5) AlO, (1-25) LaO (Люминесцирующее германатное стекло, патент РБ №12472, патент РФ №2383503).
3+
3+
Недостатком известного стекла является трудность получения генерации на ионах Yb из-за передачи возбуждений с них на ионы Er.
2
2
3
2
2
2
3
2
2
Известно люминесцирующее кварцевое стекло состава, масс.%: (88-96) SiO, (3-9) YbO, (1-3) RbO по пункту 1 и (87-95) SiO, (3-9) YbO, (1-2) RbO, (1-2) CsO пo пункту 2 (Люминесцирующее кварцевое стекло (варианты), патент РБ №16901, патент РФ №2482079).
3+
Недостатком известного стекла является относительно высокая интенсивность кооперативной люминесценции ионов Yb (λ≈500 нм), что мешает получению эффективной генерации при высоком уровне накачки.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Наиболее близким к заявляемому стеклу по технической сущности является стекло состава, мол.%: (65-73) BO, (15-20) AlO, (8-15) LaO или YO, (0,1-4) SmO(Люминесцирующее стекло, патент РБ №14839, патент РФ №2415089).
4
6
3+
5-2
3/2→11/2
Недостатком прототипа является невозможность получения генерации в ближней инфракрасной области спектра из-за малого коэффициента ветвления люминесценции в переходах G→F ионов Sm (λ≈940-1500 нм) и перекрытия соответствующих полос с полосами поглощения этих ионов. Это не позволяет использовать прототип в качестве активных сред лазеров, генерирующих в ближней инфракрасной области спектра.
Задачей предлагаемого изобретения является создание люминесцирующего стекла, характеризующегося интенсивной широкополосной люминесценцией в ближней инфракрасной области спектра и пригодного для использования в качестве активной среды лазера.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Для решения поставленной задачи люминесцирующее стекло, содержащее оксиды бора (BO), алюминия (AlO) и лантана (LaO) и/или иттрия (YO), дополнительно содержит оксид иттербия (YbO) при следующем соотношении компонентов, мол %: (57-62) BO, (27-33) AlO, (1-9,5) LaO и/или YO, (0,5-10) YbO.
Исходные материалы смешивали в требуемом соотношении, а полученную шихту плавили на воздухе в платиновом тигле в течение 1 часа. Выработку осуществляли путем отлива расплава на металлическую плиту.
2
3
2
3
2
3
2
3
Уменьшение концентрации YbO ниже заявляемой нецелесообразно из-за низкой интенсивности люминесценции. Увеличение концентрации YbO сверх заявляемой нецелесообразно из-за снижения квантового выхода люминесценции. Изменение концентрации остальных ингредиентов в заявляемых пределах, в том числе замена LaO на YO, слабо влияет на спектр и квантовый выход люминесценции заявляемого стекла.
3+
3+
0
0
Составы заявляемого стекла и значения коэффициента поглощения k в максимуме чисто электронного перехода (λ≈976 нм), средней длительности затухания люминесценции  ионов Yb, и квантового выхода люминесценции последних η=τ/τ сведены в таблицу. Здесь I - интенсивность люминесценции, τ - радиационное время жизни метастабильного состояния Yb, определяемое по известной формуле  где g - статистический вес энергетического состояния, n - показатель преломления стекла (определялся иммерсионным методом). При определении  возбуждение осуществлялось моноимпульсным излучением лазера на сапфире с титаном (λ=900 нм, длительность импульса ≈10 нс), регистрация производилась при λ=976 нм, толщина образцов составляла 1 мм.
Таблица
№ образца
Состав, мол.%
k, см<sup>-1</sup>
<maths num="1"><math display="block"><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo>¯</mo></mover></math><img file="00000004.tif" he="4" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, мкс
η, %
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub> и/или Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Yb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1
57
33
9,5
0,5
3,7
920
≈100
2
60
30
9
1
6,7
940
≈100
3
60
30
5
5
25,3
360
≥40
4
62
27
1
10
48,0
220
≥25
На фигуре изображены спектр светоослабления (кривая 1) и «квантовый» спектр люминесценции при длине волны возбуждения 900 нм (кривая 2) для образца №2.
2
3
3+
Видно, что квантовый выход люминесценции заявляемого стекла при концентрациях YbO, менее или равных 1 мол.%, близок к 100% и сохраняет достаточно высокое значение (≥40%) при концентрации оксида активатора 5 мол.%. Отличительной особенностью данного стекла является низкая интенсивность кооперативной люминесценции ионов Yb. Например, по сравнению с рассмотренным аналогом (патенты РБ №16901 и РФ №2482079) она, по крайней мере, на два порядка ниже. Заявляемое стекло устойчиво к воздействию влажной атмосферы и пятнающих агентов.
3+
Таким образом, заявляемое стекло в отличие от прототипа характеризуется эффективной широкополосной люминесценцией в ближней инфракрасной области спектра. Благодаря низкой эффективности кооперативной люминесценции ионов Yb оно перспективно для использования в условиях высокой заселенности метастабильного состояния активатора. Это обеспечивает заявляемому стеклу преимущество в качестве активного элемента лазеров ближнего инфракрасного диапазона, функционирующих в моноимпульсном режиме.