Разработка лазерной активной среды на основе боратного стекла, активированного хромом

Активной средой в первом созданном твердотельном лазере являлся монокристалл рубина, иными словами окись алюминия, легированная небольшим количеством ионов трехвалентного хрома. В дальнейшем такие лазеры стали первопроходцами в области косметической медицины. До сих пор они являются основными источниками излучения при записи «красной» составляющей объемных изобразительных голограмм, для механического формования ювелирных изделий из алмазов и для создания красных люминофоров (уступая в стоимости люминофорам на основе европия). Однако в силу трудоемкости и, следовательно, дороговизны процесса изготовления монокристаллов в настоящее время происходит планомерный отказ от кристаллических активных сред в лазерных технологиях. Ближайшими аналогами рубина, имеющими генерацию в «красной» области спектра, также являются кристаллы гранатов и ванадатов, активированные неодимом. 
Для решения данной проблемы в рамках исследования были разработаны наностеклокерамики на основе калиевоалюмоборатной системы, активированные ионами трехвалентного хрома. Наностеклокерамики представляют собой материалов, в объеме аморфной матрицы которых выделены одна или несколько кристаллических фаз. Такие материалы объединяют достоинства кристаллов (отсутствие неоднородного уширения, высокий квантовый выход) и стёкол (простота производства, меньшие затраты на расходные материалы и оборудование. 
 
Флуоресценция 1 – исходного калиевоалюмоборатного стекла, 2 – боратной наностеклокерамики, активированной ионами хрома, 3 – монокристалла рубина. Длина волны возбуждения 365 нм
 
Первым этапом разработки наностеклокерамик является синтез стекла калиевоалюмобратной матрицы классическим методом плавки в тигле. Основными задачами данного этапа являются оптимизация состава шихты для получения в дальнейшем необходимой степени окисления ионов хрома и оптимизация технологических параметров синтеза для получения однородного оптически прозрачного материала. В рамках данного исследования было синтезировано 19 составов стекла. В конечном итоге получился однородный стеклообразный материал, прозрачный в видимой и ближней ИК областях спектра, содержащий полосы поглощения ионов трехвалентного хрома, и, исходя из этого, имеющий зеленую окраску. Однако такой материал не является люминесцентным, так как ионы хрома находятся в аморфном окружении. 
 
Влияние времени изотермической обработки на флуоресценцию наностеклокерамики, активированной ионами хрома: 1 - исходное калиевоалюмоборатное стекло, 2 – боратная наностеклокерамика, полученная в ходе термической обработки при температуре 700°С в течение 20 минут, 3 – боратная наностеклокерамика, полученная в ходе термической обработки при температуре 700°С в течение 5 часов, 4 – монокристалл рубина. Длина волны возбуждения 365 нм
 
Влияние концентрации хрома на флуоресценцию наностеклокерамики,: 1 – боратная наностеклокерамика, с концентрацией хрома 0,1 мол%, 2 – боратная наностеклокерамика, с концентрацией хрома 0,2 мол%,  4 – монокристалл рубина. Длина волны возбуждения 365 нм
 
Вторым этапом разработки является создание непосредственно наностеклокерамики посредством термоиндуцированной кристаллизации нанокристаллической фазы в полученном после синтеза стекле. Основной задачей данного этапа является оптимизация режима изотермической обработки для получения контролируемой кристаллизации нанофазы, содержащей ионы хрома. В качестве катализатора кристаллизации была использована окись лития, которая после проведения изотермической обработки исходных стекол приводит к выделению нанокристаллической фазы Li(Al7B4O17):Cr3+ больших размеров (более 20 нм). При этом цвет стекла изменяется с зеленого на светло-красный и оно остается прозрачным. На этом этапе у разрабатываемого материала наблюдается интенсивная люминесценция, квантовый выход которой достигает 50%. 
 
Химический состав кристаллической фазы, выделенной в боратной наностеклокерамике, активированной ионами хрома
 
Спектры люминесценции: 1 – кристалла рубина, боратной наностеклокерамики, активированной ионами хрома, с концентрацией лития 2 -5 мол%, 3 – 7,5 мол%, 4 – 10 мол%
 
 
Синтезированная наностеклокерамика по своим свойствам стала аналогом монокристалла рубина, однако процесс ее изготовления является менее трудоёмким. Она может быть использована в качестве основы для волоконных усилителей в системах передачи информации и в лазерных биомедицинских технологиях.
 

Информация © 2015-2017 Университет ИТМО
Разработка © 2015 Департамент информационных технологий