CC BY
54
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7_
УДК 666.221.6
Степко А.А.*1, Савинков В.И.1, Жигунов Д.М.2, Ветчинников М.П.1 , Сигаев В.Н.1
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, дом, 9
2МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия
119234, Москва, Ленинские Горы, д. 1, стр. 10
e-mail: [email protected]
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ Nd3+ НА СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ФОСФАТНОГО СТЕКЛА
Аннотация
Синтезировано лазерное стекло на фосфатной основе с различной концентрацией ионов активатора (Nd3+). Исследованы спектрально-люминесцентные характеристики полученных образцов стекол, такие как: время затухания люминесценции, интенсивность люминесценции на длинах волн ~1060 нм, оптическая плотность, квантовый выход люминесценции.
Ключевые слова: лазерное фосфатное стекло, Nd3+, спектры поглощения, люминесценция, квантовый выход.
Фосфатное стекло, активированное ионами Nd3+, уже долгое время является одним из наиболее распространенных материалов для создания
активных элементов лазеров и усилителен высокой мощности, работающих при длине волны излучения ~ 1060нм. Это связано с тем, что фосфатные стекла имеют ряд преимуществ перед кристаллами и стеклами на силикатной и алюмоборатной основе. К преимуществам фосфатных стекол можно отнести: большее сечение основного генерационного перехода (А^1060нм), высокая однородность, возможность устранения соляризации [1]. Неодимовые фосфатные стекла используются в качестве активных элементов лазерных и усилительных систем, в том числе, на опытных установках управляемого термоядерного синтеза (ЛТЯС), и в качестве усилителей импульсов высокой мощности [2-4]. В РХТУ им. Д.И. Менделеева разработано и запатентовано лазерное фосфатное стекло (ЛСН-0130), концентрация ионов №3+ в котором в среднем составляет 3,07^1020 1/см3 [5]. В данной работе исследовалось влияние концентрации ионов Nd3+ в сложной фосфатной матрице на оптическую плотность стекла, время затухания, квантовых выход и интенсивность люминесценции при переходе ^3/2 ^ 4!п/2.
Для синтеза образцов стекол был выбран состав в мольных долях (100^) (52,197 P2O5, 8,384 BaO, 17,059 5,35 SiO2, 9,624 AЪOз, 7,386 B2Oз)+ X Nd2Oз, где Х = 0,1; 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2; 6,4. В качестве сырьевых материалов использовались H3PO4 (ОСЧ),
BaCOз (ХЧ), К2ГО3 (ЧДА), БЮ2(ОСЧ), А1(ОН)3
(ЧДА), HзBOз (ХЧ), Nd2Oз (ОСЧ). Сухие компоненты шихты после взвешивания перетирались в агатовой ступке и вносились в жидкую фосфорную кислоту. Варка производилась в лабораторной стекловаренной печи шахтного типа с нагревателями из SiC в тиглях из кварцевого стекла в воздушной атмосфере. Загрузка шихты производилась при температуре 1200 0С, провар и осветление проводились при 1280 0С в течение 1 часа. Стекло вырабатывалось в подготовленную и нагретую до 450 0С стальную форму. Отжиг стекла производился при температуре 450 0С в течение 4 часов с инерционным охлаждением с печью. Для исследований из отливок стекла изготавливались полированные пластины 15х15х2 мм. Данные о концентрации ионов Nd3+ в полученных стеклах приведены в таблице 1.
Таблица 1. Концентрация ионов М3" в стеклах и время затухания люминесценции в образцах синтезированных стекол
Название образца Мольная доля Ш2О3, % Плотность, г/см3 Концентрация ионов Nd3+, 1019 1/см3 Время затухания люминесценции (Тлюм), мкс
ЛНС-0,1 0,1 2,730 2,6 413,6
ЛНС-0,2 0,2 2,735 5,3 413,1
ЛНС-0,4 0,4 2,742 10,9 412,9
ЛНС-0,8 0,8 2,764 21,8 371,09
ЛНС-1,6 1,6 2,793 43,4 286,99
ЛНС-3,2 3,2 2,855 86,5 183,32
ЛНС-6,4 6,4 2,978 171,7 98
Спектры поглощения образцов стекол были получены на спектрофотометре Shimadzu ЦУ-3600 в интервале длин волн 400-950 нм (рис. 1). На спектрах оптического поглощения образцов стекол имеются ярко-выраженные полосы поглощения в интервалах длин волн 455-473 нм, 500- 543 нм, 564-610 нм, 730-
760 нм, 770 - 830 нм и 860-910 нм, характерные для стекол, окрашенных ионами Nd3+. Интенсивность полос поглощения прямолинейно зависит от концентрации ионов активатора. Измерение времени затухания люминесценции (Тлюм) проводилось с помощью тауметра (рис. 2).
4, 3, 3, 2,5
Et 2,с <3 1,5 1,с
С,5
/А
- ЛНС-0,1 (1) ЛНС-0,2 (2) ЛНС-0,4 (3) ЛНС-0,8 (4) ЛНС-1,6 (5)
- ЛНС-3,2 (6)
- ЛНС-6,4 (7)
0400 450-500-550-600-650-700-750-800-850-900-950
Длина волны, нм
Рис. 1. Спектры поглощения образцов синтезированных стекол (6 = 2 мм)
□
□ /□
Рис. 2. Схема устройства тауметра: 1 -блок питания лампы, 2 - лампа, 3 - блок питания прерывателя, 4 - прерыватель, 5- маски, 6 - устройство фокусировки, 7 - светофильтр СЗС-21, 8 - образец, 9 - светофильтр ослабляющий, 10 - блок питания ФЭУ, 11 - ФЭУ -
22, 12 - цифровой осциллограф АКТАКОМ ADS- 2022.
ЛНС-0,1 (1) ЛНС-0,2 (2) ЛНС-0,4 (3) ЛНС-0,8 (4) ЛНС-1,6 (5) ЛНС-3,2 (6) ЛНС-6,4 (7)
100 200 300 400 Ь00 6ÜÜ—7ÜÜ 8ÜÜ 9ÜÜ 1ÜÜÜ11ÜÜ12ÜÜ13ÜÜ14ÜÜ1500
Время, мкс
Рис. 3. Кривые затухания люминесценции ионов Nd3+ в образцах синтезированных стекол
Полученные кривые затухания
люминесценции представлены на рисунке 3. Анализ результатов тауметрии синтезированных стекол показал, что при концентрации до 10,9 -1019
1/см3 ход кривых практически идентичен, когда при увеличении концентрации наблюдается более
крутой спад, что связано с проявлением концентрационного тушения, обусловленного процессами обмена энергии между ионами Вместе с концентрационным тушением важным фактором, снижающим Тлюм является рассеяние энергии на колебаниях ОН-групп. Определенные значения коэффициента поглощения при ^=3100 нм -максимума линии поглощения воды для всех образцах не превышали £3100= 2 см-1, что свидетельствует о равнозначном влиянии наличия ОН-групп на тушение люминесценции для всех исследованных стеклах. Из анализов результатов
тауметрии определено время затухания люминесценции (табл.1). Полученные данные свидетельствуют о том, что исследуемая матрица обеспечивает высокие значения Тлюм (Ш3+) при высоких концентрациях активатора.
На спектрах люминесценции
синтезированных стекол ( при накачке с Х=514 нм (рисунок 4)) видно, что во всех образцах проявляется люминесценция на основном лазерном переходе ионов неодима 4Р3/2 ^ 41п/2 с максимумом при —1057 нм. Интенсивность люминесценции увеличивается при росте концентрации ионов активатора до 43,4-1019 1/см3, при дальнейшем увеличении концентрации ионов интенсивность снижается.
Полуширина пика люминесценции (Д^н) в образцах стекол увеличивается от 27 до 30 нм с ростом концентрации активатора от 2,6 до 171,7^ 1019 1/см3. Уширение полосы люминесценции связано с
перестройкой структуры стекла и неоднородным уширением спектральных линий. Квантовый выход люминесценции для образцов определялся по формуле:
q = (Гпюм / Трад) 100%,
(1)
где ТДюм - время затухания люминесценции образца стекла, Трад время жизни метастабильного состояния ионов №3+, в качестве Трад в данной работе было принято Тлюм при самой низкой (2,6 -1019 1/см3) концентрации ионов №3+ ( 413,6 мкс) [6].
0 1000
ЛНС-0,1 (1) ЛНС-0,2 (2) ЛНС-0,4 (3) ЛНС-0,8 (4) ЛНС-1,6 (5) ЛНС-3,2 (6) ЛНС-6,4 (7)
1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080
Длина волны_ н^
Рис. 4. Спектры люминесценции образцов стекол (Xex- 514 нм)
40 60 80 100
Концентрация ионов NNd3
Рис. 5. Зависимость квантового выхода и интенсивности люминесценции от концентрации ионов М3"
Таким образом, квантовый выход люминесценции синтезированных стекол (рисунок 5) при концентрации Nd3+ менее или равной 21,8-1019 1/см3 превышает 89% и сохраняет достаточно высокое значение (« 44 %) при концентрации ионов активатора 86,4-1019 1/см3. По результатам проведенных исследований можно судить, что данная матрица является одной из наиболее перспективных
для создания активных элементов лазеров с высокой концентрацией ионов Nd3+, а также может служить основой для разработки новых люминесцирующих материалов. Возможность ввода ионов РЗЭ в высокой концентрации открывает возможность соактивации ионов Nd3+ с другими ионами РЗЭ, что может привести к значительному уширению полос люминесценции - критически важному параметру для лазерных материалов.
3
Степко Александр Александрович, аспирант кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Савинков Виталий Иванович, к.т.н., с.н.с. Международной лаборатории функциональных материалов на основе стекла имени П.Д.Саркисова РХТУ имени Д.И.Менделеева, Россия, Москва
Жигунов Денис Михайлович, к.ф.-м.н.,н.с. кафедры общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ имени М.В, Ломоносова, Россия, Москва
Ветчинников Максим Павлович, студент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Сигаев Владимир Николаевич, профессор, д.х.н, заведующий кафедрой ХТСиС РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Алексеев Н. Е. Лазерные фосфатные стекла. - Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1980.
2. Hu L. et al. Large aperture N31 neodymium phosphate laser glass for use in a high power laser facility //High Power Laser Science and Engineering. - 2014. - Т. 2. - С. el.
3. Прохоров А. М. Новое поколение твердотельных лазеров //Успехи физических наук. - 1986. - Т. 148. - №. 1. - С. 7-33.
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7_
4. Campbell J. H., Suratwala T. I. Nd-doped phosphate glasses for high-energy/high-peak-power lasers //J.of non-crystalline solids. - 2000. - Т. 263. - С. 318-341.
5. Саркисов А. И. и др. Приоритет (ы):(22) Дата подачи заявки: 03.02. 2010 (45) Опубликовано: 20.08. 2011 Бюл. № 23 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: ЕР 0218135 А2, 15.04. 1987. RU 2263381. - 2010.
6. Галаган Б. И. и др. Новое высокопрочное неодимовое лазерное стекло на фосфатной основе //Квантовая Электроника. - 2009. - Т. 39. - №. 12. - С. 1117-1120.
Stepko Alexandr Alexandrovich, Savinkov Vitaliy Ivanovich, Zhigunov Denis Michailovich, Vetchinnikov Maxim Pavlovich, Sigaev Vladimir Nikolaevich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. e-mail: [email protected]
THE INFLUENCE OF THE ND3+ IONS CONCENTRATION ON SPECTRAL-LUMINESCENCE CHARACTERISTICS OF LASER PHOSPHATE GLASS
Abstract
Phosphate laser glass with various concentrations of rare-earth ions (REI) (Nd3+) was synthesized. The spectral-luminescent characteristics of the glass samples, such as the decay time, the luminescence intensity at ~ 1060 nm, the optical density and the quantum yield of luminescence was measured.
Key words: laser phosphate glass, Nd3+, luminescence, quantum yield.
