Лазерный мир

Ученые из России, Франции и Чехии разработали новые уникальные люминофоры на основе стекол в системе хлорид свинца — диоксид теллура, активированных ионами редкоземельных металлов.

Исследование сотрудников Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Российского химико-технологического университета им Д.И. Менделеева, Университета Кан-Нормандия (Франция) и Чешского технического университета в Праге (Чехия) открывает новые возможности для потенциального применения разработанных стекол для дизайна инфракрасных материалов и волоконно-оптических устройств для медицины и электроники (лазеры, усилители), сообщили в пресс-службе Минобрнауки России.

Стекла на основе диоксида теллура или теллуритные стекла — это уникальные материалы с нелинейными оптическими свойствами, которые во много раз превосходят силикатные стёкла. Они также обладают высокой прозрачностью в инфракрасном диапазоне и электропроводностью, что делает их востребованными в оптике, электронике и для защиты от радиации. 

Их получают, смешивая диоксид теллура с оксидами других металлов. Например, смесь с оксидом молибдена позволяет получить устойчивые стеклообразные структуры с заданными свойствами. К преимуществам таких стекол относятся химическая стойкость, термическая стабильность, относительно низкие энергии фононов (около 800 см⁻¹), широкий диапазон пропускания и хорошая растворимость соединений редкоземельных элементов.

Введение оксидов и галогенидов тяжелых металлов MexXy (где Me = цинк, молибден, кадмий, сурьма, барий, свинец, висмут, а X = фтор, хлор, бром и йод) в состав стекла значительно повышает прозрачность как в ультрафиолетовой, так и в инфракрасной частях спектра, а также улучшает эффективность люминесценции редкоземельных активаторов. В то время как оксидные и оксофторидные системы активно изучались в качестве люминесцентных и лазерных сред, оксохлоридные системы остаются относительно малоизученными. 

Несмотря на большой потенциал введения хлорида свинца в качестве модификатора в матрицу теллуритных стекол для улучшения люминесцентных характеристик в среднем инфракрасном диапазоне, какие-либо исследования спектрально-люминесцентных свойств таких стекол в спектральном диапазоне 2–3 мкм не известны. Одной из причин стала сложность синтеза оксохлоридных стекол ввиду склонности к пирогидролизу — высокотемпературному распаду неорганических веществ под действием водяного пара, — и большого количества остаточных гидроксильных групп, которые тушат люминесценцию.

Слева: фотографии образцов стёкол с указанной концентрацией легирующего иона в мол.%. Справа: инфраркасные спектры люминесценции легированных стёкол. Tm — тулий, Er — эрбий, Ho — гольмий.

Ученые впервые синтезировали и подробно изучили спектрально-люминесцентные свойства системы хлорид свинца — диоксид теллура легированные ионами редкоземельных металлов тулия, эрбия и гольмия (PbCl2-TeO2-ReF3, где Re = Tm, Er, Ho). 

«За счет грамотного подбора условий синтеза методом закаливания расплава удалось избежать пирогидролиза хлорида свинца и получить стекла с небольшим содержанием остаточных гидроксильных групп. Введение галогенидного модификатора (фтор, хлор, бром и йод) позволяет уменьшить энергию фононов матрицы, что важно для люминесценции редкоземельных ионов в коротковолновом инфракрасном диапазоне спектра. Благодаря низкой энергии фононов эта система особенно подходит для генерации лазерного излучения в диапазоне длин волн 2–3 мкм, широко применяемом в медицине (терапия, хирургия). Предложенные стекла продемонстрировали исключительные спектрально-люминесцентные характеристики: времена жизни возбужденных состояний ионов тулия, эрбия и гольмия (Tm3+, Er3+ и Ho3+) существенно больше, чем у аналогичных оксидных и оксофторидных стекол (например, системы оксидов цинка и натрия с диоксидом теллура, фторида бария с диоксидом теллура). Это является преимуществом для потенциального применения в оптических усилителях. Важно отметить, что в этом исследовании люминесценция в диапазоне 2—3 мкм получена и подробно охарактеризована впервые для стекол, содержащих хлорид свинца», — рассказала заведующая лабораторией высокочистых веществ ИОНХ РАН доктор химических наук Мария Бреховских. 

По словам исследователей, представленное комплексное исследование синтезированных оксохлоридных теллуритных стекол, легированных ионами редкоземельных металлов показало их исключительные преимущества для фотонных технологий (медицина, электроника), по сравнению с другими типами применяемых стекол. Авторы планируют вытягивание оптических волокон на основе исследованных стекол.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания ИОНХ РАН. Результаты работы опубликованы в Journal of Non-Crystalline Solids.

Подробнее:
https://наука.рф/news/khimiki-sintezirovali-novyy-material-dlya-razvitiya-fotonnykh-tekhnologiy/