Лазерное фосфатное стекло

Авторы патента:

Авакянц Л.И. (RU)

Молев В.И. (RU)

Суркова В.Ф. (RU)

Герасимов В.М. (RU)

Поздняков А.Е. (RU)

H01S3/17 - аморфного строения, например стекла

C03C3/16 - содержащие фосфор

Владельцы патента RU 2263381:

Открытое акционерное общество "Лыткаринский завод оптического стекла" (RU)

Лазерное фосфатное стекло включает P₂O₅, Al₂О₃, В₂О₃, К₂O, Na₂O, MgO, CaO, SrO, BaO, Nd₂O₃, CeO₂, SiO₂ и Nb₂O₅ при следующем соотношении компонентов (мас.%): Р₂O₅ 52-66, Al₂O₃ 3-6, В₂O₃ 0,3-3,3, К₂О 3-8, Na₂O 1,5-5,5, MgO 0,2-2,1, CaO 0,1-3, SrO 2-17, BaO 0,5-21, Nd₂O₃ 0,5-6, CeO₂ 0,1-1,5, SiO₂ 0,5-3, Nb₂O₅ 1,5-9. Обеспечивается создание технологичного атермального лазерного фосфатного стекла с повышенной термостойкостью и предельной мощностью накачки. 3 табл.

Изобретение относится к материалам для лазеров, в частности к составам лазерных фосфатных стекол.

В качестве активного материала лазера широко используется стекло на основе оксида и соединений фосфора, поскольку отличительной особенностью фосфатных лазерных стекол является высокая величина сечения генерационного перехода, что обеспечивает их максимальные генерационные параметры. Кроме того, в фосфатной системе легко получить атермальные стекла.

Однако указанные достоинства фосфатных лазерных стекол с трудом совмещаются с высокими эксплуатационными характеристиками: теплопроводностью, термостойкостью, химической устойчивостью. Например, стекло по авт. свид. СССР №355916 кл. H 01 S 3/17 1979 г., содержащее в мас.%: P₂O₅ 49-65, Al₂О₃ 2-9, В₂О₃ 1,6-10, оксид щелочного металла из группы Li₂O, Na₂O, K₂O 0,9-9,5, оксиды редкоземельных элементов, в частности Nd₂O₃, СеО₂ 0,5-7,5, оксид металлов второй группы, выбранный из группы оксидов бария, стронция, магния, кальция и кадмия - остальное.

Промышленностью выпускалось аналогичное указанному стекло марки ГЛС32 (ОСТ 3-30-77 «Стекло оптическое ГЛС. Технические условия.). Стекло относится к классу атермальных и обладает высокими генерационными характеристиками, однако оно недостаточно термически и химически устойчиво, что требует специальной защиты активных элементов.

Ближайшим по составу к предлагаемому является алюмо-боро-фосфатное стекло для высокоэнергетических лазеров по пат. США №5.526.369 кл.370-40 1996 г., содержащее в мол.%: P₂O₅ 50-75, Al₂О₃>0-10, В₂О₃ 0-10 (может частично замещаться на Y₂О₃), К₂О>0-30, группа щелочных оксидов Li₂O, Na₂O, Rb₂O, Cs₂O 0-20, MgO 0-30, CaO 0-30, а сумма MgO и CaO>0-30, группа BeO, SrO, BaO, ZnO и PbO в сумме 0-20, оксиды редкоземельных элементов 0,01-8, из них Nd₂O₃ 0,1-5, СеО₂ 0,1-1,5.

В описании патента не приводятся данные по химической устойчивости, термооптической постоянной и термостойкости этих стекол. Однако, расчет аддитивным методом [1, 2] термостойкости и термооптической постоянной W_1,06 конкретных примеров стекол по патенту показал, что их термическая устойчивость мала, а величина термооптической постоянной W часто выходит за пределы, ограничивающие класс атермальных лазерных стекол (-5.10^-7 К^-1<W_1,06<10.10^-7 K^-1), что существенно сужает круг их применения. Например, такие стекла нельзя использовать в лазерах, работающих в частотных режимах (мала мощность накачки, при которой происходит термическое разрушение активного элемента), а также в лазерах с малой угловой расходимостью излучения (что обеспечивается атермальными стеклами). По набору входящих компонентов и их соотношению в большинстве приведенных в прототипе составов можно предположить, что химическая устойчивость эти стекол невысока.

Задачей изобретения является создание технологичного атермального лазерного фосфатного стекла с повышенной термостойкостью и предельной мощностью накачки.

Задача решается тем, что в лазерном фосфатном стекле, содержащем, как и прототип, P₂O₅, Al₂О₃, В₂О₃, К₂O, Na₂O, MgO, CaO, SrO, BaO, Nd₂O₃, CeO₂, указанные оксиды содержатся, мас.%:

Р₂O₅	52-66
Al₂O₃	3-6
В₂O₃	0,3-3,3
К₂О	3-8
Na₂O	1,5-5,5
MgO	0,2-2,1
CaO	0,1-3
SrO	2-17
BaO	0,5-21
Nd₂O₃	0,5-6
CeO₂	0,1-1,5

и дополнительно введены SiO₂ и Nb₂О₅ в соотношении:

SiO₂	0,5-3
Nb₂O₅	1,5-9

Введение в стекло в качестве модификаторов SiO₂ и Nb₂O₅ с указанным процентным содержанием повышает термостойкость стекла, а также улучшает ряд его технологических и эксплуатационных свойств, в частности, химическую устойчивость и кристаллизационную способность.

Конкретные составы синтезированных стекол приведены в таблице 1, составы стекол из патента-прототипа - в таблице 2, а свойства стекол из табл.1 и 2 (измеренные и рассчитанные по [1, 2]) приведены в таблице 3.

Стекла были сварены в платиновом тигле из материалов высокой степени чистоты: метафосфатов алюминия, бора, щелочных и щелочноземельных элементов, кремнезема, оксидов неодима, церия и ниобия. Кристаллизации стекол не наблюдалось за 80 часов в температурном интервале от 450°С до 1000°С.

Таблица 1
Примеры составов стекол по заявке
Компоненты	Массовые %	Молекулярные %
№1	№2	№3	№4	пределы	№1	№2	№3	№4	пределы
Р₂O₅	52,2	60,36	65,31	55,87	52-66	48,39	51,08	55,69	49,50	48-56
Al₂O₃	3,09	3,63	5,79	3,61	3-6	3,99	4,27	6,87	4,45	3,9-7
В₂О₃	1,32	3,22	0,33	0,33	0,3-3,3	2,	5,56	0,57	0,59	0,5-6
К₂O	6,15	7,82	3,19	6,78	3-8	8,58	9,96	4,1	3,995	4-10
Na₂O	1,82	1,52	5,17	2,13	1,5-5,5	3,87	2,94	10,1	4,33	2,8-10,2
SrO	2,11	3,50	8,44	16,71	2-17	2,68	4,06	9,86	20,28	2,8-20,5
CaO	0,14	0,23	2,77	0,28	0.1-3	0,33	0,48	5,38	0,63	0,3-6,0
MgO	0,26	2,10	0,11	0,27	0,2-2,1	0,87	6,25	0,34	0,84	0,3-6,5
BaO	20,5	11,42	5,19	0,52	0,5-21	17,59	8,94	4,09	0,43	0,4-18
Nb₂O₅	8,8	1,5	1,5	4,8	1,5-9	4,36	0,67	0,68	2,28	0,6-4,5
SiO₂	3,0	2,2	0,5	2,5	0,5-3	6,56	4,39	1,00	5,23	1-7
Nd₂O₃	0,5	1.0	1,4	6,0	0,5-6	0,2	0,36	0,51	2,24	0,2-2,3
CeO₂	0,1	1,5	0,3	0,2	0,1-1,5	0,08	1,04	0,21	0,15	0,05-1,1

Таблица 2
Примеры составов стекол по прототипу
Компоненты стекла	Массовые %	Молекулярные %
№11	№28	№3	№37	№11	№28	№3	№37
Р₂O₅	52,58	51,14	60,19	71,96	51,0	47,0	59,0	65,0
М₂О₃	5,92	6,25	5,86	3,16	8,0	8,0	8,0	4,0
В₂O₃		6,41				12,0
К₂О	13,0	10,83	10,16	15,30	19,0	15,0	15,0	21,0
MgO				2,18				7,0
ВаО	21,16	17,63	16,53		19,0	15,0	15,0
Nb₂O₅				0,2				0,1
Nd₂O₃	7,34	7,74	7,26	7,81	3,0	3,0	3,0	3,0
Таблица 3
Свойства стекол по заявке, прототипу и аналогу
Свойства стекол	Стекла по заявке	Стекла по прототипу	Аналог
	№1	№2	№3	№4	№11	№28	№3	№37	ГЛС32
Термооптическая постоянная W_1.06. 10⁷, K-^l	10	7,5	3	9	-14	5	-9	-24	4,5
Коэффициент термического линейного расширения α. 10⁷, К^-1	107	110	115	109 106*	137	113	124	129	103
Коэффициент теплопроводности λ, Вт/м/К	0,65	0,62	0,64	0,58	0,49	0,54	0,55	0,52	0,50
Термостойкость AT, °C	63*	60*	62*	60*					42*
	55	51	53	51	22	21	45	54	40
Предельная накачка Р_пр, кВт (АЭ ⊘8×100 мм)	0,9*	0,8*	0,85*	0,8*	-	-	-	-	0,4*
*) экспериментальные величины

Как видно из таблицы 3, расчетные величины термостойкости стекол по заявке превышают термостойкость стекла-аналога на 30% и превышают термостойкость стекол по прототипу до 2,5 раз. Это подтверждается экспериментальными результатами. Термостойкость образцов 010×30 мм стекол по заявке, измеренная методом термоудара, составляет не менее 60°С, что в 1,5 раза выше, чем у промышленного стекла ГЛС32.

С термостойкостью стекла связана величина предельной мощности накачки, которую выдерживает без разрушения активный элемент при работе лазера в частотном режиме. Предельная мощность накачки активных элементов ⊘8×100 мм из заявляемых стекол составляет от 0,8 до 0,9 кВт по сравнению с предельной мощностью 0,4 кВт для активных элементов из стекла ГЛС32.

Химическая устойчивость стекол по заявке на два класса выше химической устойчивости стекла-аналога ГЛС32 (класс Б 1 и класс Г 1 соответственно).

Литература

1. О.С.Щавелев, В.А.Бабкина. Система расчета оптических и термооптических свойств фосфатных стекол по их химическому составу. Физика и химия стекла, т.3, №5, 1977, с.519-523

2. О.С.Щавелев, Н.К.Мокин, В.А. Бабкина, Н.Ю. Плуталова. Система расчета теплофизических свойств и термостойкости фосфатных стекол по их составу. Физика и химия стекла, т. 15, №4, 1989, с.614-616.

Лазерное фосфатное стекло, включающее P₂O₅, Al₂О₃, В₂О₃, К₂O, Na₂O, MgO, CaO, SrO, BaO, Nd₂O₃, CeO₂, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит SiO₂ и Nb₂O₅ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Р₂O₅	52-66
Al₂О₃	3-6
В₂O₃	0,3-3,3
К₂O	3-8
Na₂O	1,5-5,5
MgO	0,2-2,1
CaO	0,1-3
SrO	2-17
BaO	0,5-21
Nd₂O₃	0,5-6
CeO₂	0,1-1,5
SiO₂	0,5-3
Nb₂O₅	1,5-9

Похожие патенты:

Лазерное вещество // 2245597

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для изготовления активных элементов лазеров на основе органических красителей и полимеров. .

Световод (варианты), способ изготовления световода и волоконно-оптический усилитель // 2141707

Волоконно-оптический лазер на красителе в полимере // 2031502

Изобретение относится к квантовой электронике. .

Лазерное вещество // 1820809

Изобретение относится к лазерным веществам на основе органических красителей в полимерной матрице и может найти применение в лазерной технике для изготовления активных элементов перестраиваемых лазеров.

Активный материал для лазеров // 680577

Активный материал // 434669

Патент 319152 // 319152

Стекло // 2237028

Изобретение относится к составам стекол, которые могут быть широко использованы в разных областях науки и техники для остекления различных объектов с сохранением светопрозрачности в период эксплуатации за счет инертности по отношению к действию плесневых грибов.

Способ производства фосфатных стекол // 2191755

Изобретение относится к химической отрасли производства стекла, а точнее к вопросам отработки технологических режимов получения шихты для синтеза фосфатных стекол в условиях крупнотоннажного производства.

Оптическое стекло // 1747409

Фотохромное стекло // 1673548

Изобретение относится к стекольной промышленности и может быть использовано для записи информации и фильтров переменной прозрачности. .

Способ получения азотированного фосфатного стекла // 1661156

Изобретение относится к области получения фосфатных стекол с низким показателем коэффициента преломления, которые могут быть использованы в оптоэлектронной промышленности.

Стекло // 1604765

Изобретение относится к стеклам с высокой радиационной стойкостью, которые могут быть использованы для изготовления дозиметров. .

Люминесцентное стекло // 1583376

Изобретение относится к составам люминесцентных стекол, применяемых для преобразования ультрафиолетового (УФ) излучения в излучение видимого и близкого инфракрасного диапазона.

Люминесцентное стекло // 1502497

Изобретение относится к составам люминесцентных стекол, применяемых для преобразования ультрафиолетового излучения в излучение видимого и близкого инфракрасного диапазона.

Оптическое стекло // 1401023

Легкоплавкое стекло для термомеханической обработки алюминиевых сплавов // 1377251

Стеклообразующий борофосфатный состав для иммобилизации алюминийсодержащих жидких высокоактивных отходов // 2267178

Изобретение относится к области переработки жидких радиоактивных отходов

Лазерное электрооптическое стекло и способ его изготовления // 2531958

Изобретение относится к технологии получения лазерного электрооптического стекла и может быть использовано при конструировании лазерных устройств с электрооптическим управлением распространения лазерного излучения в активной среде. Изобретение позволяет создать стекло, сочетающее лазерные и электрооптические свойства. Лазерное электрооптическое фосфатное стекло включает Na2O, CaO, P2O5 , La2O3 Nd2O3, Sb2O3 при следующем соотношении компонентов, мол.%: 0,5-10 Na2O; 0,5-5 CaO; 10-30 Sb2O3; 70-61,5 P2O5; 0,1-7,4 La2O3; 7,4-0,1 Nd2O3, при этом сумма концентраций оксидов лантана и неодима составляет 7,5. Для обеспечения высоких генерационных параметров осуществлялось удаление гидроксильных групп из стекла путем барботирования расплавленной стекломассы осушенным кислородом. После осветления стекломассы производилась отливка расплавленного стекла в прогретую графитовую форму. Отливка стекла помещалась в муфельную печь, где производился грубый отжиг при температуре 380-400°С в течение двух часов с последующим инерционным охлаждением до комнатной температуры. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

Оптическое стекло // 2614787

Изобретение относится к составам стекол, которые могут быть использованы в оптических системах. Оптическое стекло содержит, мас.%: Р2О5 16,0-17,0; BaF2 15,2-16,0; GeO2 53,0-54,0; Al2O3 13,8-15,0. Технический результат - снижение стоимости при сохранении свойств стекла. 1 табл.

Люминесцентное фосфатное стекло // 2617662

Изобретение относится к люминесцентным материалам. Технический результат изобретения заключается в повышении квантового выхода люминесценции стекол с переходными металлами. Люминесцентное фосфатное стекло содержит, мол.%: Na2O – 33, P2O5 – 33, Ag2O – 0,1, Cu2O – 0,1 и ZnO – 33,5. 3 ил.