ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩЕЕ СТЕКЛО
LUMINESCENT GLASS

Изобретение относится к составам оптических стекол, в частности к люминесцирующим стеклам, активированным ионами редкоземельных элементов, в частности ионами эрбия, и предназначено для использования 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.
4
4
3+
3/2
15/2
Такие активные среды должны обеспечивать генерацию лазера в спектральном диапазоне ~540 нм, соответствующем переходу S->I иона Er, при накачке лазерным диодом с длинной волны 960-990 нм.
2
2
2
3
Известно люминесцирующее теллуритное стекло, легированное ионами эрбия, состава в мол.%: TeO - 80; NaO -10; ZnO - 9; ErO - 1[1]. Известное стекло характеризуется люминесценцией в спектральной области при λ~1,55 мкм, что исключает его применение в качестве активной среды в лазерах, генерирующих в области 540 нм.
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
13/2
15/2
3+
4
4
Известно люминесцирующее германатное стекло состава в мол.%: GeO 40-60; ErO 0,01-5; YbO 1-28; ВО 15-30; AlO 1-5; LaO 1-25[2]. Стекло рекомендовано использовать в качестве активного материала лазеров и усилителей инфракрасного диапазона для спектральной области при λ~1,55 мкм, что соответствует переходу иона Er:I->I. Однако из-за отсутствия люминесценции в спектральной области 540 нм данное стекло также не может быть использовано в качестве активной среды для преобразователей инфракрасного лазерного излучения в видимое зеленое.
2
2
3
2
3
3
3
4
3+
Наиболее близким к предлагаемому стеклу по технической сущности и достигаемому результату является люминесцирующая прозрачная стеклокерамика (взята за прототип), содержащая в мол. %: SiO-40,0; AlO - 25,0; NaCO - 18,0; YF - 10,0; NaF - 7,0; xErF (х=0,05; 0,2; 0,5; 1,0 и 2,0) [3]. Стеклокерамика-прототип характеризуется зеленым и красным ап-конверсионным излучением в спектральной области 520-545 нм и 660 нм соответственно. Для получения стеклокерамики стекло указанного состава синтезируют при температуре 1450°С. Исходное стекло подвергают термической обработке в интервале температур 570-650°С для формирования в матрице стекла нанокристаллической фазы NaYF, содержащей ионы эрбия Er и обусловливающей люминесценцию в красной и зеленой видимой областях спектра. Исходное стекло не люминесцирует.
4
4
3+
3/2
15/2
Недостатком прозрачной стеклокерамики является относительно низкая интенсивность люминеценции в переходе S->I иона Er (зеленое излучение), поэтому не эффективно использовать ее в качестве лазерной активной среды для преобразования инфракрасного излучения в видимую зеленую область спектра.
Техническая задача изобретения - создание стекла, обладающего свойством преобразования инфракрасного излучения в видимую область спектра и характеризующегося высокой интенсивностю ап-конверсионной люминесценции зеленого излучения в спектральной области при λ - 540 нм, при сохранении прозрачности люминесцирующего стекла.
2
2
2
2
3
2
2
2
2
3
Поставленная задача достигается тем, что люминесцирующее стекло включает SiO, GeO, PbO, PbF и ErO при следующем соотношении компонентов, мол.%: SiO 44,0-48,5; GeO 1,5-5,5; PbO 35,0-39,5; PbF 10,5-14,0 и ErO 0,5-1,0. Количественное соотношение указанных компонентов в предлагаемом составе стекла позволяет обеспечить ап-конверсионную люминесценцию зеленого излучения в спектральной области 540 нм, сохраняя при этом прозрачность стекла, и, таким образом, создать новое люминесцирующее стекло для активной среды ап-конверсионных лазеров, с помощью которых представляется возможным осуществлять генерацию на длине волны ~540 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 германия, борную кислоту, оксид свинца, фторид свинца марки «хч» и оксид эрбия (99,99%). Сырьевые материалы взвешивают на электронных весах, тщательно перемешивают и просеивают через сито №0,5. Приготовленную таким образом шихту для варки стекла засыпают в корундовые тигли, которые помещают в стекловаренную электрическую печь с силитовыми нагревателями. Варку стекла осуществляют при температуре 900±50°С с выдержкой при максимальной температуре в течение 30 мин до полного провара и осветления стекломассы. Скорость подъема температуры в печи 300°С в час.
Конкретные составы и свойства предлагаемого стекла и прототипа представлены в таблицах 1, 2.
Составы стекол
Таблица 1
Содержание компонентов, мол.%
Компоненты
1
2
3
Прототип [3]
SiO<sub>2</sub>
44,0
47,5
48,5
40,0
GeO<sub>2</sub>
4,2
5,5
1,5
-
PbO
39,5
36,0
35,0
-
PbF<sub>2</sub>
11,5
10,5
14,0
-
Er<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,8
0,5
1,0
-
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
-
-
-
25,0
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
-
-
-
18,0
YF<sub>3</sub>
-
-
-
10,0
NaF
-
-
-
7,0
ErF<sub>3</sub>
-
-
-
сверх 100%: 0,05; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0
Составы, находящиеся за пределами заявляемой области, не могут быть использованы для этой цели, так как кристаллизуются при выработке либо опалесцируют, теряя свою прозрачность.
Свойства стекол
Таблица 2
Составы стекол
Наименование свойств
1
2
3
Прототип [3]
Температура синтеза стекла, °С
900±50
900±50
900±50
1450
Температура стеклования, °С
320
330
325
-
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
6574,5
6435,0
6498,0
-
Интенсивность люминесценции в переходе <sup>4</sup>S<sub>3/2</sub>-><sup>4</sup>I<sub>15/2</sub>, отн. ед.
7000
7000
7000
2000
Коэффициент поглощения, см<sup>-1*</sup>
1,1
1,1
1,1
-
Поперечное сечение поглощения, см<sup>2</sup>
0,5×10<sup>-20</sup>
0,5 ×10<sup>-20</sup>
0,5×10<sup>-20</sup>
-
λ(FWHM),нм**
15,2
15,2
15,2
-
* Коэффициент поглощения и поперечное сечение поглощения измерены на длине волны накачки 976 нм (инфракрасное излучение);
** Ширина полосы люминесценции на полувысоте, соответствующая переходу <sup>4</sup>S<sub>3/2</sub>-><sup>4</sup>I<sub>15/2</sub> иона Er<sup>3+</sup>.
Сопоставляя уровень люминесценции предлагаемого стекла и прототипа в спектральной области 540 нм, видно, что предлагаемое стекло характеризуется в 3 раза более высокой интенсивностью люминесценции по сравнению с прототипом. Преимуществами заявляемого стекла является также его способность люминесцировать без термической обработки и значительно низкая температура синтеза (900±50°С), что упрощает технологический процесс синтеза стекла и снижает энергозатраты на его производство.
Таким образом, люминесцирующее стекло предлагаемого состава способно преобразовывать инфракрасное излучение в видимое и обладает интенсивной ап-конверсионной люминесценцией в спектральной области 540 нм, что дает возможность эффективно его использовать в качестве активной среды в ап-конверсионных лазерах, преобразователях инфракрасного излучения в видимое (зеленое).
Источники информации
1. S.Shen, A.Jha, X.Liu et al. / Tellurite Glasses for Broadband Amplifiers and Integrated Optics // J.Am / Ceram. Soc., 2002, vol.85, №6, P.1391-1395.
2. Патент РФ №2383503 С1 МПК С03С 3/253, 2008, опуб. 10.03.2010.
4
3. Feng Liu, En Ma. Daqin Chen.Yonlong Yu, Yuansheng Wang / Tunable Red-Green Upconversion Luminescence in Novel Transparent Glass Ceramics Containing Er NaYF Nanocrystals // J.Phys. Chem. В 2006, 110, 20843-20846 (прототип).