Фото-термо-рефрактивные свойства наностеклокерамик, активированных ионами редких земель

ФОТО-ТЕРМО-РЕФРАКТИВНЫЕ СВОЙСТВА НАНОСТЕКЛОКЕРАМИК, АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ

РЕДКИХ ЗЕМЕЛЬ Е.В. Цыганкова Научный руководитель - д.ф.-м.н., профессор Н.В. Никоноров

Разработана многофункциональная наностеклокерамика (НСК) на основе фото-термо-рефрактивного стекла. Исследованы фото-термо-рефрактивные свойства НСК, активированной ионами лантана, эрбия и иттербия. Показано, что введение лазерных активаторов иттербия и эрбия в НСК не ухудшает ее фоточувствительные и сохраняет фоторефрактивные свойства.

Введение

Оптические многофункциональные материалы - это новые оптические среды, которые направлены на миниатюризацию и интеграцию элементной базы современной оптики и фотоники. Эти материалы объединяют в себе характеристики нескольких оптических сред (лазерные, фоторефрактивные, ионообменные). Примером такого материала является разработанная нами наностеклокерамика (НСК). НСК представляет собой гетерофазную структуру, где в матрице стекла распределена кристаллическая на-норазмерная фаза.

В нашей работе разработана многофункциональная НСК на основе фото-термо-рефрактивного (ФТР) стекла. ФТР-стекло - это фоточувствительный материал, содержащий фоточувствительные сенсибилизаторы - церий и серебро. Воздействие УФ-излучения на ФТР-стекло приводит к возникновению центров кристаллизации, на которых при последующей термообработке образуются нанокристаллы (КаБ). Различие в спектрах поглощения и показателях преломления матрицы стекла и нанокристалличе-ской фазы используется для записи эффективных объемных фазовых голограмм [1]. Матрица стекла допускает легирование материала редкоземельными ионами (например, эрбием, иттербием и т.д.), и, таким образом, материал может обладать свойствами лазерной среды.

В нашей работе были исследованы фото-термо-рефрактивные свойства НСК, активированной ионами лантана, эрбия и иттербия. Показано, что полоса поглощения церия, отвечающая за фоточувствительные свойства материала, не перекрывается с полосами поглощения ионов иттербия и эрбия. Таким образом, введение лазерных активаторов иттербия и эрбия в НСК не ухудшает ее фоточувствительность, при этом сохраняются фоторефрактивные свойства.

Методика эксперимента

Для проведения исследований в работе синтезированы НСК на основе ФТР-стекла системы Ка20 - 2п0 - Л1203 - Вг - Б - БЮ2 (стекла содержали светочувствительные добавки Се02, Л§ и БЬ203) с переменным содержанием оксида лантана (1-5 мол.%), оксида эрбия (0,02, 0,1, 0,4 мол.%) и оксида иттербия (2,19 мол.%). НСК синтезировались в кварцевых или платиновых тиглях при температуре 1480°С в воздушной атмосфере. Температура стеклования (Т§) составляла 490-520°С. Образцы толщиной 1 мм в виде полированных плоскопараллельных пластин подвергались облучению УФ и термообработке.

Облучение УФ осуществлялось ртутной лампой высокого давления. Исследования проводились для следующих доз облучения: 10, 100, 1000 и 10000 Дж. Из спектра излучения ртутной лампы интерференционными фильтрами вырезалась область 290-410 нм. Образец облучался через диафрагму диаметром 5 мм. Термообработка проводилась в муфельной печи при следующих температурах: для лантановой НСК - 525±2°С, для эр-

биевой - 515±20С, для иттербиевой - 600±2оС в течение 3 часов. Спектры поглощения измерялись на всех стадиях эксперимента: 1) у исходного стекла, 2) после УФ-облучения исходного стекла, 3) после термической обработки исходного и облученного стекла. Измерение спектров поглощения осуществлялось на спектрофотометре Сагу-500 в диапазоне длин волн 200-1000 нм с шагом 1 нм.

Рлчжт TII. toti. i «ж л^лжгм/1 nauna

40

35 -

'5 30 - -I

и

s т 25-

Ш

3"

О С 20-

о I 1

г

15-

t  \J 2 3

g 10 -

5-

Q

I I I I I I I

250 300 350 400 450 500 550 600 длина волны,нм

Рис. 1. Спектр поглощения НСК с различным содержанием 1_а203 (кривая 1 - 0 мол.%,

2 - 1 мол.%, 3-5 мол.%)

длина волны,нм

Рис. 2. Спектр поглощения НСК с различным содержанием Ег203

На рис. 1-3 представлены спектры поглощения НСК с различным содержанием оксида лантана, эрбия и иттербия соответственно. Из графиков видно, что при введении ионов редких земель край фундаментального поглощения сдвигается в коротковолновую область спектра. Также следует отметить, что полоса поглощения церия не

перекрывается с полосами поглощения ионов иттербия и эрбия. С увеличением концентрации ЕггОз наблюдается увеличение характерных для эрбия пиков поглощения.

длина волны, нм

Рис. 3. Спектр поглощения НСК с содержанием Бг20з 0,4 мол.% и УЬ20Э

Влияние УФ-облучения на спектры поглощения исследуемых образцов представлено на рис. 4-6. Из графиков видно, что при увеличении дозы облучения увеличивается поглощение в области 250-450 нм и сдвигается край фундаментального поглощения в длинноволновую область.

250 300 350 400 450 500 550 600 длина волны, нм

Рис. 4. Спектр поглощения облученной НСК с содержанием 1_а203 5 мол.% (кривая 1 - необлученный образец, 2 - доза облучения 10 Дж, 3 - 100 Дж, 4 - 1000 Дж,

5 - 10000 Дж)

длина волны, нм

Рис. 5. Спектр поглощения облученной НСК с содержанием Ег203 0,1 мол.% (кривая 1 - необлученный образец, 2 - доза облучения 10 Дж, 3 - 100 Дж, 4 - 1000 Дж,

5- 10000 Дж)

длина волны, нм

Рис. 6. Спектр поглощения облученной НСК с содержанием УЬ203 2,19 мол.% и Ег203 0,4 мол.% (кривая 1 - необлученный образец, 2 - доза облучения 10 Дж, 3 - 100 Дж,

4 - 1000 Дж, 5 - 10000 Дж)

На рис. 7 в качестве примера приведены спектры добавочного поглощения для НСК, содержащей 0,1 мол.% Ег203, при разных дозах облучения. Спектры добавочного поглощения представляют собой разность в спектрах между облученным и необлучен-ным стеклом. Анализ этих спектров позволяет увидеть две широкие полосы поглощения в области 270 и 330 нм. С ростом дозы облучения интенсивность полос поглощения возрастает. Появление этих добавочных полос можно связывать с несколькими причинами: ростом полосы поглощения (Се 3+)+ и (8Ь+)" в области 270-280 нм и ростом широкой полосы поглощения атомарного серебра с максимумом в районе 405 нм [2].

250 300 350 400 450 500 5S0 600 длина волны,нм

Рис. 7. Спектр добавочного поглощения эрбиевой НСК

На рис. 8, 9 приведены спектры поглощения НСК после облучения УФ и последующей термообработки.

длина волны,нм

Рис. 8. Спектр поглощения облученной НСК с содержанием La203 5 мол.% после термообработки 525°С (кривая 1 - необлученный образец, 2 - доза облучения 10 Дж,

3 - 100 Дж, 4 - 1000 Дж, 5 - 10000 Дж)

На рис. 10 представлен спектр добавочного поглощения термообработанной эрбиевой НСК. Для НСК, активированных лантаном и иттербием, наблюдаются аналогичные зависимости. Отчетливо видно уменьшение полосы поглощения на 260 нм и рост полосы около 450 нм.

длина волны, нм

Рис. 9. Спектр поглощения облученной НСК с содержанием Бг20з 0,1 мол.% после термообработки 515°С (кривая 1 - необлученный образец, 2 - доза облучения 10 Дж, 3

- 100 Дж, 4 - 1000 Дж, 5 - 10000 Дж)

длина волны, нм

Рис. 10. Спектр добавочного поглощения термообработанной эрбиевой НСК (0,1 мол.% Ег203) при различных дозах облучения (кривая 1 - 0 Дж, 2 - 10 Дж, 3 - 100

Дж, 4 - 1000 Дж, 5 - 10000 Дж)

Анализ графиков показывает, что при термообработке образуется коллоидное серебро с максимумом поглощения в районе 450 нм. Интенсивность этой полосы возрастает с увеличением дозы облучения. Таким образом, введение в состав НСК оксидов лантана, эрбия и иттербия не ухудшило светочувствительность материала. Также следует отметить, что облучение УФ и термообработка не повлияли на интенсивность характерных для редких земель пиков поглощения.

Исследование показателя преломления показало, что введение оксидов редких земель в состав НСК привело к увеличению показателя преломления: для лантановой

НСК прирост показателя преломления составил 113*10-4, для эрбиевой НСК - 21*10-4, для иттербиевой НСК - 18*10-4.

Заключение

Синтезированы НСК, активированные ионами редких земель. Показано, что введение лазерных активаторов иттербия и эрбия в НСК не ухудшает ее фоточувствительность с сохранением фоторефрактивных свойств.

Литература

1. Stookey S.D., Beat G.K., Pierson J.E. Full-color photosensitive glass I J. // Appl. Phys. -1978. - V. 49. - №10. - P. 5114-5123.

2. Никоноров Н.В., Панышева Е.И., Туниманова И.В., Чухарев А.В. Влияние состава стекла на изменение показателя преломления при фототермоиндуцированной кристаллизации // Физ. и хим. стекла. - 2001. - Т.27. - № 3. - С. 365-376.