Стекло с наночастицами сульфида свинца для просветляющихся фильтров

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СТЕКЛО С НАНОЧАСТИЦАМИ СУЛЬФИДА СВИНЦА ДЛЯ ПРОСВЕТЛЯЮЩИХСЯ ФИЛЬТРОВ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Рачковская Галина Евтихиевна Захаревич Галина Борисовна Гурин Валерий Степанович Юмашев Константин Владимирович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) Стекло с наночастицами сульфида свинца для просветляющихся фильтров, включающее 2, 2, ,и , отличающееся тем, что дополнительно содержит 2 и 3 при следующем соотношении компонентов, мас.2 50,0-54,5 2 6,0-7,5(нанокристаллы, квантовые точки) сульфида свинца, и предназначено для использования в качестве просветляющихся сред, а именно пассивных затворов твердотельных лазеров ближнего ИК-диапазона, используемых в таких областях как офтальмология, волоконнооптические системы связи, оптическая локация и дальнометрия. Стекла, содержащие нанокристаллы сульфида свинцаразмером меньше радиуса экситона Бора (18 нм), представляют собой наноразмерные структуры, для которых характерен квантоворазмерный эффект, проявляющийся в сдвиге края фундаментального поглощения в коротковолновую область спектра по сравнению с объемным кристаллом и появлении 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. 16688 1 2012.12.30 Формирование кристалловнанометрового диапазона в стеклянной матрице достигается термической обработкой стекла. Управляя размерами нанокристаллов, можно смещать положение максимума 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 один и тот же материал - стекло с нанокристаллами . Пассивный затвор, выполненный из стекла с нанокристаллами , при малой интенсивности падающего светового излучения имеет высокий коэффициент поглощения в области первого экситонного резонанса нанокристалла , т.е. затвор закрыт. При сильном резонансном возбуждении, когда интенсивность света сильно возрастает, коэффициент поглощения значительно снижается и наступает насыщение поглощения - эффект просветления - затвор открыт и пропускает лазерный луч. Имеются единичные сведения о технических решениях по созданию просветляющихся фильтров на основе силикатных стекол, содержащих нанокристаллы сульфида свинца. Наиболее близким к предлагаемому стеклу с нанокристалламипо технической сущности и достигаемому результату является стекло, содержащее в мас.2 58-65 2 10-155-17 23 0,5-53-60-151-3,50-30-31-3, где 0-50-50-150-100-10 2. Образование наночастицв указанном стекле происходит в процессе его термической обработки при температурах 550-650 С. Стекло содержит наночастицыразмером 7-30 нм, что соответствует спектральному положению первого экситонного резонанса в области 1,6-2,2 мкм. Однако данное стекло не обеспечивает получения наночастицменьшего размера и не позволяет создать материал с экситонными полосами поглощения в более коротковолновой области спектра, а именно 1,5 мкм. Излучение в данной спектральной области имеет ряд существенных особенностей. Во-первых, такое излучение является наиболее безопасным для глаз, т.к. оно полностью поглощается роговицей глаза и не может повредить сетчатку. Вовторых, излучение с длиной волны 1,5 мкм обладает малыми потерями при прохождении через атмосферу (попадает в так называемое второе окно прозрачности атмосферы). И, втретьих, данное излучение имеет низкие значения дисперсии и поглощения в кварцевом волокне, что дает возможность передачи световых импульсов на большие расстояния с минимальными искажениями. Указанные особенности позволяют использовать лазеры,излучающие на этой длине волны, в офтальмологии, волоконно-оптических системах связи, оптической локации и дальнометрии. Задачей предполагаемого изобретения является обеспечение спектрального поглощения и просветления на длине волны 1,5 мкм за счет формирования в стеклянной матрице наночастицразмером 5,5-5,9 нм (7 нм). Для решения поставленной задачи предлагается стекло с наночастицами сульфида свинца для просветляющихся фильтров, которое включает 2, 2, , , , и дополнительно содержит 2 и 3 при следующем соотношении компонентов, мас.2 50,0-54,5 2 6,0-7,512,5-15,56,5-8,53,5-4,0 2 10,0-15,0 и 3 3,03,5. Количественное сочетание указанных компонентов в предлагаемом составе стекла позволяет сформировать в стеклянной матрице наночастицыменьшего размера, а именно 5,5-5,9 нм, и обеспечить спектральное поглощение и просветление на длине волны 1,5 мкм, и создать новый материал для просветляющихся фильтров - твердотельных пассивных затворов, с помощью которых представляется возможным осуществить генерацию наносекундных и сверхкоротких световых импульсов на длине волны 1,5 мкм в лазерах,используемых для медицины, волоконно-оптических линий связи, дистанционного зондирования атмосферы. Из источников литературы стекло, содержащее нанокристаллы , такого химического состава для решения указанной задачи не известно и нами предлагается впервые. 16688 1 2012.12.30 Синтез стекла осуществляют в газовой пламенной печи при температуре 1400 С с выдержкой при максимальной температуре варки в течение 1 часа 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, углекислый натрий 23, оксид цинка , оксид свинца , серу , углекислый калий 23 и фтористый алюминий 3. Шихту тщательно перемешивают,засыпают в корундизовые тигли, которые помещают в стекловаренную печь для варки. Из готовой стекломассы методом литья в металлические формы изготавливают образцы для проведения дальнейшей термической обработки. Отжиг образцов осуществляют при температуре 450 С. Термическую обработку стекла проводят в электрической печи при температуре 480 и 525 С при экспозициях в 5, 10 и 20 ч выдержки. Применяя указанный температурновременной режим термообработки стеклянной матрицы получают наночастицыстабильного размера 5,5-5,9 нм (см. табл. 2). Анализ рентгенограмм стекол, прошедших 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 представлены в таблицах 1 и 2. Составы, находящиеся за пределами заявляемой области, не могут быть использованы в этих целях, так как либо кристаллизуются при выработке стекломассы, либо дают объемную грубо кристаллическую структуру при термообработке. В табл. 2 указаны размеры наночастиц , сформированных в силикатных стеклянных матрицах в результате термической обработки, а также приведены спектральные положения первого экситонного пика поглощения и энергия соответствующего экситонного резонанса. Данные табл. 2 показывают, что заявляемые стекла содержат наночастицыменьшего размера (5,5-5,9 нм), чем у прототипа, что обеспечивает спектральное поглощение и просветление на длине волны 1,5 мкм, т.е. на более короткой длине волны, чем у прототипа. Таблица 1 Составы стекол Содержание компонентов в составах, мас.Компоненты стекол 1 2 3 Прототип 2 2 50,0 52,0 54,5 58-65 2 6,0 7,5 6,5 10-15 16688 1 2012.12.30 Таблица 2 Размер, спектральное положение первого экситонного пика поглощения и энергия экситонного резонанса стекол с наночастицамиСпектральное положение полосы поглощения Режим обраСреднийобразпервого экситонного резонанса ботки (темпе- диаметр наца ратура / время) ночастиц, нм длина волны, мкм энергия резонанса,эВ 1 480 С / 20 ч 5,5 1,5 0,86 2 525 С / 5 ч 5,5 1,5 0,86 3 525 С/ 10 ч 5,9 1,54 0,90 Как видно из табл. 2, подобранные температурно-временные режимы термообработки позволяют сформировать нанокристаллы сульфида свинца определенного размера (5,5-5,9 нм), стабилизируют их рост, чем, в свою очередь, обеспечивается спектральное поглощение и просветление на длине волны 1,5 мкм. 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 (1,5 мкм),чем у прототипа. Таким образом, заявляемый химический состав стекла при соответствующей термической обработке обеспечивает формирование нанокристаллов сульфида свинца размером 5,5-5,9 нм, обеспечивая спектральное поглощение и просветление на длине волны 1,5-1,54 мкм. Указанные преимущества заявляемого стекла, содержащего наночастицытакого размера, позволяют создать новый наноструктурированный стекломатериал для просветляющихся фильтров (твердотельных пассивных затворов), с помощью которых можно осуществлять генерацию коротких и сверхкоротких импульсов в лазерах, генерирующих на длине волны 1,5 мкм, используемых для медицины, дальнометрии, дистационного зондирования атмосферы, волоконно-оптических систем передачи и обработки информации. Область применения стекла с нанокристаллами- лазерные системы генерации импульсов наносекундной и сверхкороткой длительностей. Источники информации 1..,// . . . . . 14. - 1997. - Р. 1632-1646. 2. Патент США 5, 449, 645, МПК 03 010/02, 1995 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4