Высокотемпературные стекла систем Ga-Ge-As-Se и Ga-Ge-Sb-Se для активной волоконной оптики среднего ИК диапазона Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СТЕКЛА СИСТЕМ GA-GE-AS-SE И GA-GE-SB-SE ДЛЯ АКТИВНОЙ ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ СРЕДНЕГО ИК ДИАПАЗОНА

Ширяев В.С., Караксина Э.В., Котерева Т.В., Филатов А.И., Плехович А.Д.

Институт химии высокочистых веществ им Г.Г. Девятых РАН, г. Нижний Новгород

* E-mail: shiryaev@ihps.nnov.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16072

Многокомпонентные халькогенидные стекла систем Ga-Ge-As-Se и Ga-Ge-Sb-Se представляют большой интерес как материалы для различных современных задач волоконной оптики, включающих разработку сенсоров, лазеров, усилителей, генераторов суперконтинуума, коннекторов и других оптических элементов среднего ИК диапазона. Возможность изготовления из таких материалов световодов, прозрачных для излучения в среднем и дальнем ИК диапазоне, делает эти материалы незаменимыми ввиду отсутствия альтернативных стеклообразных материалов для области дальше 4 мкм. Для стекол данных систем, предназначенных для задач силовой оптики, таких как волоконные лазеры и генераторы суперконтинуума, а также для исследований, предполагающих тепловое воздействие источниками накачки, требуются стекла с высокими теплофизическими характеристиками. Кроме того, введение в состав элемента Sb вместо As делает данные стекла соответствующими требованиям экологической безопасности при анализе различных биологических объектов [1]. Задача повышения теплофизических характеристик стекол в данном исследовании решается за счет поиска Ge-обогащенных составов, которые характеризуются достаточно высокими значениями температуры стеклования (Tg), лежащими в области 280-350 оС [2].

Представлены результаты исследований стекол системы Ga - Ge - As - Se с содержанием 25-31 ат% Ge и 1-5 ат% Ga, 17-18 ат% As. Разработана методика синтеза стекол с низким содержанием лимитируемых примесей [3], получены объемные образца стекол, проведен сравнительный анализ свойств образцов методами ДСК, РФА и ИК-спектроскопии. Определены оптимальные составы, соответствующие требованиям волоконной оптики, и характеризующихся высокими значениями температур стеклования (300-356 оС) [4,5]. ДСК термограммы образцов стекол приведены на Рис.1(а). Из стекла Ga3Ge31As18Se48 методом вытяжки из одиночного тигля был изготовлен бесструктурный световод с минимальными оптическими потерями 0,6 дБ/м на длине волны 5,8 мкм (Рис.2).

.............................................. ................................—...........

100 200 300 400 500 200 300 т 500

Температура, °С Температура, "С

а б

Рис. 1. ДСК термограммы образцов стекол: а - СахСв25А$15Бвв0-х (х=0; 1; 2; 3; 4; 5); б - Са-Се-БЪ-Бв

На основе базовых стекол получены образцы, легированные ионами Рг(3+). Показано, что для состава 1300 ррт Рг(3+)^а^е31А818Бе48 наблюдается соответствие свойств полученных стекол

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»

www.fotonexpres.rufotonexpres@mail.ru 145

вкво-2019 -- вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты

требованиям волоконной оптики: высокое пропускание в спектральной области 1-10 мкм, максимальные значения Т8 (356 оС), отсутствие кристаллических фаз, широкополосная эмиссия в интервале 3,5-6 мкм. Образцы данного состава демонстрировали высокие эмиссионные характеристики: время жизни излучения в максимуме полосы люминесценции (4.7 мкм) составило 12 мс, что является максимальным значением для известных составов-аналогов. Дополнительная полоса эмиссии с максимумом на 2.8 мкм (Рис.3) отличает данный состав от ранее исследованных [6] и свидетельствует о влиянии содержания Се на спектральный состав эмиссии.

Для стекол системы Са-Се-БЬ-Бе, обогащенных германием, проведены исследования влияния макросостава на температурные характеристики материалов в интервалах следующих концентраций компонентов: Са- 1-5 ат.%, БЬ - 6-11 ат.%, Се - 25-29 ат.%, Бе- 60-65 ат.%. Проведены исследования структуры, оптических, термических, кристаллизационных свойств, измерение плотности образцов. Установлено, что стекло Се27,5БЬ7,5Са5Беб0 характеризуется высокими значениями Т8 (337°С) и ДТ (Ткр - Т8) = 123 С, что свидетельствует об удовлетворительной устойчивости стекла к кристаллизации (Рис.1(б)). Стекло состава Се29БЬ10Са1Беб0 не кристаллизуется вплоть до точки термораспада. Плотность образцов изменяется в интервале 1.205-1.265 г/см3. Образцы легированных празеодимом стекол на основе Са4Се2бБЬбБеб4 продемонстрировали высокое значение Тй (320°С) и широкополосную люминесценцию в области 3.5-5.5 мкм. Содержание лимитируемых примесей в образцах стекол, а именно, кислорода, водорода в виде различных химических форм, было оценено по данным ИК-спектроскопии на уровне единиц ррт.

Проведенные исследования образцов стекол систем Са-Се-Аэ(БЬ)-Бе являются существенным вкладом в развитие задачи создания новых оптических сред, соответствующих требованиям волоконной оптики среднего ИК диапазона.

Рг1*

Зн =>Ч

1,0

I ш =1

0,5

0,3 ■ 0,2

0,0

- 5 A 4

- CO,/ W

- » Se-H

PrJ* Д 1

3 з H => H I : 1 1 ,

5 6 7 Длина волны (мкм)

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Волновое число (см1)

5,5 6,0

Рис. 2. Спектр оптических потерь бесструктурного световода из стекла СазСв31Аз18Бв48

Рис.3. Спектр люминесценции стекла 1300ppm Pr(3+)-Ga3Ge31As1sSe4S

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (тема 0095-2019-0007).

Литература

1. An J,, et ad, Opt. Lett. 43, 2893- 2896 (2018)

2. Karaksina E.V., et ail, J. Lumin. 170, 37-41 (2016)

3. Shiryaev V.S., et al, J. Lumin. 209, 225-231 (2019)

4. Shiryaev V.S., et al, Opt. Mater. 37, 18-23 (2014)

5. Shiryaev V.S., et al, Opt. Mater. 67, 38-43 (2017)

6. Karaksina E.V., et al, J. Lumin. 204, 154-156 (2018)