Люминесцирующее германатное стекло

Изобретение относится к легированным стеклам, в частности к германатному стеклу, которое может использоваться в качестве активного материала объемных, микрочип и волоконных лазеров и усилителей инфракрасного диапазона. Техническим результатом является увеличение эффективной полуширины полосы люминесценции в переходе 4I13/24I15/2 ионов Er3+ (λ~1,55 мкм) и повышение концентрации ионов Yb3+. Использование такого стекла в качестве активного элемента лазеров (усилителей) позволит увеличить ширину полосы генерации (усиления) и уменьшить размеры микрочипа из-за поглощения сенсибилизатором люминесценции излучения накачки в тонком слое. Люминесцирующее германатное стекло содержит, мол. %: GeO2 40-60, Er2O3 0,01-5,

Yb2O3 1-28, В2О3 15-30, Al2O3 1-5, La2O3 1-25. 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к легированным стеклам, в частности к Er-содержащему германатному стеклу, которое может использоваться в качестве активного материала лазеров и усилителей инфракрасного диапазона. В частности, для спектральной области при λ~1,55 мкм, широко используемой в волоконно-оптической связи и лазерной локации.

Известно легированное эрбием теллуритное стекло следующего состава, мол.%: 80TeO2-10Na2O-9ZnO-1Er2O3 (S.Shen, A.Jha, X.Liu et al. Tellurite Glasses for Broadband Amplifiers and Integrated Optics, J. Am. Ceram. Soc. (2002), vol.85, no.6, p.1391-1395). Основными недостатками известного стекла являются недостаточно высокое значение эффективной полуширины полосы люминесценции (Δλэф= 62-75 нм) в переходе (λ~1,55 мкм) ионов Er3+, определяемое как отношение интегральной интенсивности люминесценции к пиковой, низкая концентрация этих ионов и неудовлетворительные физико-химические свойства, обусловленные «рыхлым» структурным каркасом из-за слабой силы химических связей Te-O и высокой концентрации щелочного металла. Это ограничивает возможности применения известного стекла в широкополосных линиях волоконно-оптической связи и делает невозможным его использование в качестве «рабочей» среды микрочип лазеров.

Известно легированное эрбием, алюминием и германием силикатное стекло, включающее (2900-5600 ppm) Er, (2,6-5,2 мол.%) Al2O3, (16,1-17,9 мол.%) GeO2, остальное - SiO2 (А.В.Холодков, К.М.Голант. Особенности фотолюминесценции ионов Er3+ в силикатных стеклах, полученных плазмохимическим осаждением в СВЧ-разряде при пониженном давлении. ЖТФ (2005), том 75, вып.6, с.46-53). Недостатком известного стекла является невысокое значение (47 нм) полуширины полосы люминесценции в переходе ионов Er3+, что ограничивает возможности его использования в качестве активной среды широкополосных лазеров и усилителей.

Известно легированное тулием германатное стекло следующего состава, мол. %: по меньшей мере 20GeO2, (0,001-2,0) Tm2O3, (2-40) Ga2O3, может включать 0< и <40 щелочноземельных соединений, выбранных из MgO, CaO, SrO,BaO, BaF2, MgF2, CaF2, SrF2, BaCl2, MgCl2, CaCl2, SrCl2, BaBr2, MgBr2, CaBr2, SrBr2, и их комбинации, а также может включать 0< и <20 щелочных соединений, выбранных из Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, Li2Cl2, Na2Cl2, K2Cl2, Rb2Cl2, Cs2Cl2, Li2Br2, Na2Br2, K2Br2, Rb2Br2, Cs2Br2, и их комбинации (патент США №6589895 от 2003.07.08, МПК: C03C 13/00; C03C 3/253; C03C 4/12; C03C 13/04; C03C 4/00; C03C 3/12; H01S 3/17; H01S 3/16; C03C 004/12; C03C 003/23; C03C 003/253; C03C 013/04). Недостатком известного стекла является отсутствие люминесценции в спектральной области 1,55-1,65 мкм, что не позволяет получать в этой области усиление либо генерацию.

Наиболее близким к заявляемому стеклу по технической сущности является стекло для лазеров и волоконных усилителей системы BaGe4O9-Ba(PO3)2-RFx следующего состава, мол. %: (10-70) (BaF2, CaF2, MgF2, BiF3, PbF2), (7,31-58,48) GeO2, (4,81-38,50)

P2O5, (7,86-62,94) BaO, где легирующие соединения взяты выше 100% в вес %: (0,5-15) Nd2O3(NdF3), (0,2-12) Er2O3(ErF3), (1,0-15) Yb2O3(YbF3), (1,0-10) Ho2O3(HoF3), (0,5-12) Pr2O3(PrF3), (0,2-10) Tm2O3(TmF3), (0,1-10) Tb2O3(TbF3), (0,5-20) MnO(MnF2) (Стекло для лазеров и волоконных усилителей и метод его производства. Патент США №6495481 от 17 декабря 2002 г., МПК: C03C 3/247, C03C 3/253, C03C 3/16, C03C 3/23, C03C 3/32).

Основными недостатками прототипа являются невысокое значение полуширины полосы люминесценции ионов Er3+ в переходе (λ~1,55 мкм)-Δν=150 см-1 (Δλ≈36 нм) и невысокая концентрация ионов Yb3+.

Указанные недостатки не позволяют использовать это стекло в широкополосных усилителях, обеспечивающих большое число информационных каналов в спектральной области при λ~1,55 мкм, и ограничивают возможности снижения толщины микрочип лазеров.

Задачей предлагаемого изобретения является создание стекла с высоким значением эффективной полуширины полосы люминесценции в переходе ионов Er3+ (λ~1,55 мкм) и высокой концентрацией ионов Yb3+. Использование такого стекла в качестве активного элемента лазеров (усилителей) позволит увеличить ширину полосы генерации (усиления) и уменьшить размеры микрочипа из-за поглощения сенсибилизатором люминесценции излучения накачки в тонком слое.

Для решения поставленной задачи люминесцирующее германатное стекло, содержащее GeO2, Er2O3 и Yb2O3, дополнительно содержит B2O3, Al2O3 и La2O3 при следующем соотношении компонентов, мол.%: (40-60) GeO2, (0,01-5) Er2O3, (1-28) Yb2O3, (15-30) B2O3, (1-5) Al2O3, (1-25) La2O3.

Стекло получали плавлением шихты в платиновом тигле при температуре 1450°C. После отливки стекло охлаждали между двумя стальными листами.

Уменьшение концентрации Er2O3 ниже заявляемой нецелесообразно из-за трудности реализации превышения коэффициента усиления над коэффициентом потерь; увеличение концентрации Er2O3 сверх заявляемой нецелесообразно из-за снижения интенсивности люминесценции, обусловленного ростом потерь на "up"-конверсию. Уменьшение концентрации Yb2O3 ниже заявляемой нецелесообразно из-за снижения эффективности миграционной контролируемой сенсибилизации люминесценции ионов Er3+; увеличение концентрации Yb2O3 выше заявляемой нецелесообразно из-за появления кристаллизации стекла. Введение B2O3 используется для повышения растворимости редкоземельных оксидов и ускорения перехода ионов Er3+, который является «узким горлом» в канале сенсибилизированной люминесценции. Введение Al2O3 используется для снижения кристаллизационной способности стекол.

Составы заявляемого стекла и значения эффективной полуширины (Δλэф) и интегральной относительной интенсивности полосы люминесценции ионов Er3+ (Iлюм) сведены в таблицу. Возбуждение люминесценции осуществлялось при длине волны λв=974 нм; значение Iлюм определялось для пластинки толщиной 1 мм, обеспечивающей практически полное поглощение возбуждающего излучения при концентрации Yb2O3 более 5 мол. %. При предельной концентрации этого оксида возбуждающее излучение полностью поглощается в слое толщиной 0,3 мм, что примерно вдвое превосходит этот показатель для прототипа с максимальной концентрацией Yb2O3.

Таблица
№ образца Состав, мол % Δλэф, нм Iлюм отн.ед.
GeO2 Er2O3 Yb2O3 B2O3 Al2O3 La2O3
1 40 5 20 30 1 4 88 0,5
2 60 0,01 1 15 5 18,99 85 ~0,03
3 42,9 1 28 26 2 0,1 87 0,9
4 45 2 23 25 3 2 87 1,0
5 45,98 0,02 2 24 3 25 86 ~0,07

На чертеже изображены «квантовые» спектры люминесценции образца 3 в переходе ионов Er3+ при λв=974 нм (кривая) и 380 нм (кривая 2).

Как видно из таблицы, при увеличении концентрации Er2O3 с 1 до 2 и 5 мол. % и близкой к предельной концентрации Yb2O3 значение Iлюм увеличивается с 0,9 до 1 и уменьшается до 0,5 относительных единиц (ср. образцы 3, 4 и 1 в табл.). Это свидетельствует о слабом "up"-конверсионном тушении люминесценции Er3+ из состояний и позволяет использовать заявляемые стекла в качестве активной среды микрочип лазеров. Незначительное изменение контура полосы люминесценции ионов Er3+ (ср. кривые 1 и 2 на чертеже) при переходе от непосредственного возбуждения этих ионов (λв=380 нм) к возбуждению через ионы

Yb3+в=974 нм) свидетельствует о высокой однородности оптических центров Er3+, а большое значение Δλэф позволяет расширить число информационных каналов волоконных усилителей и элементов интегральной оптики.

Таким образом, заявляемое люминесцирующее германатное стекло значительно (в 2,4 раза) превосходит прототип по ширине полосы люминесценции и может обеспечивать примерно вдвое превышающую величину поглощения возбуждающего излучения сенсибилизатором люминесценции при невысокой эффективности "up"-конверсионного тушения люминесценции. Эти характеристики обеспечивают заявляемому стеклу существенные преимущества при использовании его в качестве активных элементов лазеров и усилителей с широкополосным рабочим диапазоном вблизи λ~1,55 мкм (в том числе в виде микрочипа и волокна).

Люминесцирующее германатное стекло, содержащее GeO2, Er2O3 и Yb2O3, отличающееся тем, что дополнительно содержит В2О3, Al2O3 и La2O3 при следующем соотношении компонентов, мол.%:

GeO2 40-60
Er2O3 0,01-5
Yb2O3 1-28
В2О3 15-30
Al2O3 1-5
La2O3 1-25


 

Похожие патенты:
Изобретение относится к составам оптических стекол и предназначено для изготовления светофильтров, непрозрачных в ультрафиолетовой области спектра. .
Изобретение относится к составам оптических стекол для оптико-лазерного приборостроения и предназначено для использования в качестве светофильтров, отрезающих ультрафиолетовую область и прозрачных в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

Изобретение относится к оптическому стеклу, в частности к составам оптических стекол для градиентной оптики. .

Изобретение относится к созданию материалов для изделий конструкционной оптики. .

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в оптических приборах, лачрр- HOV технике. .

Изобретение относится к созданию ИК-прозрачных материалов для изделий конструкционной оптики. .

Изобретение относится к производству оптических материалов и .может быть использовано для получения оптических стекол, не люминесцирующих в области длин волн менее 1 мкм при воздействии светового излучения в области 300-900 нм.

Изобретение относится к составам стекол, используемых в оптических приборах. .

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к способу выращивания микрокристаллических каналов в прозрачных и окрашенных стеклах под действием лазерного пучка для задач интегральной оптики. Изобретение позволяет получить кристаллические линии с помощью фемтосекундного лазера в лантаноборогерманатном стекле с пониженной частотой следования импульсов. Это достигается способом локальной кристаллизации лантаноборогерманатного стекла, включающим облучение сфокусированным в объем стекла пучком фемтосекундного лазера, которое состоит из двух этапов: этапа формирования кристаллической затравки неподвижным пучком и этапа вытягивания кристаллической линии из затравки пучком, который перемещают с постоянной скоростью. При этом частоту следования фемтосекундных импульсов задают в пределах 9-100 кГц для формирования затравки и задают частоту 5-100 кГц для формирования кристаллической линии, энергию импульса изменяют от 16 до 120 мкДж, глубину фокусировки пучка варьируют от 50 до 300 мкм. Образец помещают в печь и проводят облучение сфокусированным пучком лазера стекла состава, мол. %: La2O3 24,5-25,5, В2O3 24,5-25,5, GeO2 49,5-50,5. 5 ил., 3 пр.

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.

Изобретение относится к фритте на основе ванадия, используемой для изоляции в стеклопакетах. Технический результат – снижение температуры плавления стеклоприпоя. Фритта содержит, вес.%: оксид ванадия 50-60, оксид бария 27-33, оксид цинка 9-12, добавку, выбранную из SrCl2, Ti2O3, SnCl2, 1-8. 8 н. и 3 з.п. ф-лы, 20 ил., 11 табл.
Наверх