Стекло с нанокристаллами сульфида свинца для просветляющихся фильтров в ближней ИК области спектра

(51)03 14/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СТЕКЛО С НАНОКРИСТАЛЛАМИ СУЛЬФИДА СВИНЦА ДЛЯ ПРОСВЕТЛЯЮЩИХСЯ ФИЛЬТРОВ В БЛИЖНЕЙ ИК ОБЛАСТИ СПЕКТРА(71) Заявители Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет Белорусский национальный технический университет(72) Авторы Рачковская Галина Евтихиевна Захаревич Галина Борисовна Кулешов Николай Васильевич Юмашев Константин Владимирович Маляревич Александр Михайлович Гапоненко Максим Сергеевич(73) Патентообладатели Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет Белорусский национальный технический университет(57) Стекло с нанокристаллами сульфида свинца для просветляющихся фильтров в ближней ИК области спектра, включающее 2, 2, , 23, ,и , отличающееся тем, что дополниельно содержит В 2 О 3 при следующем соотношении компонентов, мас.2 33,0-48,0 2 15,5-16,5 1,5-3,0 В 2 О 3 10,0-20,5. Изобретение относится к составам стекол, содержащих кристаллы сульфида свинца нанометрового размера (нанокристаллы или наночастицы) для лазерной техники и предназначено для использования в качестве просветляющихся сред, а именно в качестве твердотельных пассивных затворов для лазеров, излучающих в ближней ИК области спектра. Стекла, содержащие наночастицы полупроводникового соединения сульфида свинца, представляют собой твердотельные наноразмерные структуры, которым присущи квантоворазмерные эффекты. Сульфид свинца, , характеризуется малой эффективной массой носителей заряда (электронов и дырок), узкой шириной запрещенной зоны и 8401 1 2006.08.30 большим боровским радиусом экситона. Если размер наночастиц близок к боровскому радиусу экситона, то возникает квантоворазмерный эффект, который проявляется в сдвиге края фундаментального поглощения полупроводника в сторону коротких длин волн и появлению выраженных полос поглощения, связанных с экситонными резонансами. Насыщение (уменьшение) поглощения в области этих резонансов, прежде всего первого, наименьшего по энергии, при интенсивном световом воздействии используется в пассивных затворах лазеров для формирования импульсов излучения наносекундной и сверхкороткой длительностей 1, 2. Управляя размерами наночастиц , можно смещать положение пика поглощения первого экситонного резонанса (изменять энергию первого экситонного резонанса) в широком спектральном диапазоне и, тем самым, смещать рабочую длину волны пассивного затвора, используя для этой цели только один полупроводниковый материал - . Пассивный затвор, выполненный из стекла с такими наночастицами , при малой интенсивности падающего светового излучения имеет высокий коэффициент поглощения, т.е. затвор закрыт. При сильном резонансном возбуждении, когда интенсивность света сильно возрастает, коэффициент поглощения значительно снижается и наступает эффект просветления - затвор открыт и пропускает лазерный луч. В известной работе по формированию в стеклянной матрице полупроводниковых наночастицменьшего размера (и позволяющих получить пик поглощения первого экситонного резонанса в области около 1,0-1,1 мкм) не приведен состав стекла, в которой эти частицы сформированы. Указано только, что в качестве стеклянной матрицы используется фосфатное стекло 3. Наиболее близким к предлагаемому стеклу с наночастицамипо технической сущности и достигаемому результату является стекло, содержащее в мас.2 58-65 2 10-155-17 А 2 О 3 0,5-53-60-151-3,50-30-31-3, где 0-50-50-150-100-10 4. Образование наночастицв указанном стекле происходит в процессе его термической обработки при температурах 550650 С. Стекло содержит наночастицыразмером 7-30 нм, что соответствует спектральному положению первого экситонного пика поглощения в области 1,6-2,2 мкм. Однако данное стекло не обеспечивает получения наночастицразмером меньше 7 нм и не позволяет создать материал с экситонными полосами поглощения в более коротковолновой области спектра (менее 1,6 мкм). Задачей предлагаемого изобретения является формирование в стеклянной матрице наночастицменьшего размера (от 3 до 7 нм), обеспечение спектрального поглощения и просветления, а также расширение спектрального диапазона рабочих длин волн пассивного затвора лазера от 0,8 до 1,6 мкм. Для решения поставленной задачи предлагается стекло с нанокристаллами сульфида свинца для просветляющихся фильтров в ближней ИК области спектра, включающее 2,2, , А 2 О 3, ,и , отличающееся тем, что дополнительно содержит В 2 О 3 при следующем соотношении компонентов, мас.2 33-48 2 15,5-16,512-15 А 2 О 3 3,5-5,54,5-5,51,5-3,51,5-3 23 10-20,5. Количественное сочетание указанных компонентов в предлагаемом составе стекла позволяет сформировать в стеклянной матрице наночастицыменьшего размера, а именно от 3 до 7 нм, обеспечить спектральное поглощение и просветление в коротковолновой области спектра и, таким образом, создать новый материал для просветляющихся фильтров-твердотельных пассивных затворов, с помощью которых представляется возможным осуществить генерацию наносекундных и сверхкоротких световых импульсов на длинах волн 0,8-1,6 мкм в лазерах,используемых для медицины, волоконно-оптических линий связи, дистанционного зондирования атмосферы. 2 8401 1 2006.08.30 Из источников литературы стекло, содержащее нанокристаллы , такого химического состава для решения указанной задачи не известно и нами предлагается впервые. Синтез стекла осуществляют в газовой пламенной печи при температуре 1350-1400 С с выдержкой при максимальной температуре варки в течение 2-х часов до полного провара и осветления стекломассы. Скорость подъема температуры в печи 300 С в час. В качестве сырьевых материалов для приготовления шихты используют песок кварцевый 2, глинозем А 2 О 3, борную кислоту Н 3 ВО 3, оксид цинка , оксид натрия 2, свинцовый сурик Р 3 О 4, фтористый натрийи серу . Шихту тщательно перемешивают, засыпают в корундизовые тигли, которые помещают в стекловаренную печь для варки. Из готовой стекломассы методом литья в металлические формы выливают образцы для проведения дальнейшей термической обработки. Отжиг образцов осуществляют при температуре 450 С. Термическую обработку стекла проводят в электрической печи при температуре 480525 С в течение 1-24 ч выдержки. Варьируя температурно-временной режим термообработки стекла, получают наночастицыразмером 3,4 4,5 4,9 6,9 нм (см. таблицу 2). Анализ рентгенограммы стекла, прошедшего термообработку, подтвердил наличие в стеклянной матрице нанокристаллов , сформированных в результате термической обработки. Основные межплоскостные расстояния (0,342 0,297 0,209 нм) соответствуют межплоскостным расстояниям кристаллической фазы . Конкретные составы предлагаемых стекол, а также их спектральные характеристики в сравнении со стеклом - прототипом приведены в табл. 1 и 2. Таблица 1 Составы стекол Компоненты стекол 2 Составы, находящиеся за пределами заявляемой области, не могут быть использованы в этих целях, так как кристаллизуются либо при выработке стекломассы, либо дают объемную грубо кристаллическую структуру при термообработке. В табл. 2 указаны размеры наночастиц , сформированных в этих стеклах в результате термической обработки, а также приведены спектральные положения первого экситонного пика поглощения и энергия соответствующего экситонного резонанса. Данные таблицы 2 показывают, что заявляемые стекла содержат наночастицыменьшего размера (3-7 нм), чем у прототипа, при этом пик первого экситонного резонанса расположен в ближней ИК области спектра в диапазоне длин волн от 0,8 до 1,6 мкм, т.е. на более коротких длинах волн, чем у прототипа. 3 8401 1 2006.08.30 Таблица 2 Размер, спектральное положение первого экситонного пика поглощения и энергия соответствующего экситонного резонанса для образцов стекол с наночастицамиСредний Спектральное положение максимума полосы Режим обработки диаметр поглощения первого экситонного резонанса Образец(температура / наночастиц,энергия фотона (энервремя) длина волны, мкм нм гия резонанса), эВ 480 С / 24 ч 1 3,4 0,86 1,43 525 С/ 5 ч 2 525 С / 1 ч 4,0 1,01 1,22 3 525 С / 10 ч 4,9 1,25 0,99 4 525 С / 20 ч 6,9 1,6 0,77 прототип 550-650 С / 1 - 4 ч 7-30 1,6-2,2 Как видно из табл. 2, изменение режима термообработки приводит к изменению размера наночастиц сульфида свинца, что, в свою очередь, вызывает смещение пика первого экситонного резонанса в область больших по длине волн. Наибольшая энергия первого резонанса - 1,43 эВ (самая короткая длина волны максимума полосы поглощения 0,86 мкм) - наблюдается у наночастицс диаметром 3,4 нм. Сравнительный анализ показателей (размера нанокристаллови положения пика спектрального поглощения) предлагаемого стекла и прототипа показал, что заявляемое стекло содержит наночастицыменьшего размера, чем у прототипа, при этом пик экситонного поглощения расположен в более коротковолновой области спектра, чем у прототипа. Таким образом, заявляемый химический состав стекла при соответствующей термической обработке обеспечивает формирование нанокристаллов сульфида свинца меньшего размера (3-7 нм), обеспечивает спектральное поглощение и просветление в диапазоне длин волн 0,8-1,6 мкм и расширяет спектральный диапазон рабочих длин волн пассивного затвора лазера. Указанные преимущества заявляемого стекла, содержащего наночастицыразмером 3-7 нм, позволяют создать новый наноструктурный стекломатериал для просветляющихся фильтров (твердотельных пассивных затворов), с помощью которых можно осуществлять генерацию коротких и сверхкоротких импульсов в лазерах ближнего инфракрасного диапазона 0,8-1,6 мкм, используемых для медицины, волоконно-оптических линий связи, дистанционного зондирования атмосферы. Область применения предлагаемого стекла с нанокристаллами- лазерные системы генерации импульсов наносекундной и сверхкороткой длительностей. Источники информации 1..,// . . . . . 14. - 1632-1646. - 1997. 2.,,,,-1.54// .39. 4345. - 2000. 3.,,.,. //. -5. - 157-160. - 1999. 4. Патент США 5, 449, 645, МПК С 03 С 010/02, 1995 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4