EP0914300A2 - Low-energy phonon spectrum glass composition, method for the production and use thereof - Google Patents
Low-energy phonon spectrum glass composition, method for the production and use thereofInfo
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- EP0914300A2 EP0914300A2 EP98929219A EP98929219A EP0914300A2 EP 0914300 A2 EP0914300 A2 EP 0914300A2 EP 98929219 A EP98929219 A EP 98929219A EP 98929219 A EP98929219 A EP 98929219A EP 0914300 A2 EP0914300 A2 EP 0914300A2
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Definitions
- the invention relates to a transparent glass composition according to the preamble of claim 1, which has very good transmission properties far into the infrared range of the electromagnetic spectrum and has a phonon spectrum of low energy.
- a method for producing this glass composition is described, as well as a method for producing thin layers from the glass composition according to the invention and their use for producing optical components.
- gallium sulfide is present in the glass structure in the form of side-bridged GaS4 tetrahedra, in the tetrahedron gaps of which rare earth metal cations can be embedded as well as in the comparable purely oxidic glasses, which typically have a three-dimensional network of relatively ionically bound MO4 tetrahedra, in which M is a so-called “network-forming” element, for example silicon, phosphorus, aluminum, boron, etc.
- the Pr-doped ZBLAN glasses co-doped with Yb, provide only unsatisfactory results (P. Xie and T. R. Gosnell in: Electronics Letters 1995, 31,191).
- the highest phonon energy for example in oxide glasses, is of the order of 1100 cm " , so that only three such phonons are required to make up the difference between the 1 G 4 level and to bridge the 3 F 4 level without radiation. In extreme cases, this means that no measurable emissions can be observed at 1.3 ⁇ m.
- ZBLAN glass matrices solve this fundamental problem by using fluorides, which change the term splitting of the rare earth metal cation and also the Reduce the maximum possible phonon energy to approx. 500 cm " . At least 6 phonons are therefore required to bridge the energy difference 1 G 4 - 3 F.
- the glass composition according to the invention with the characterizing features of the main claim offers the surprising advantage that the combination of sulfur and halogens in the form of their anions gives rare earth-doped chalchalide glasses which have a surprisingly favorable band position of praseodymium fluorescence, a long fluorescence life and good chemical resistance, especially against moisture.
- An important reason for the advantageous high solubility of the rare earth elements in the glass composition according to the invention lies in the use of halide anions, which moreover influence the position of the fluorescence band. Due to the addition of halides, the glass composition according to the invention shows a high level compared to analog sulfide glasses Fluorescence life of up to 460 ⁇ s.
- the glass composition has good chemical resistance, in particular to atmospheric humidity.
- the glass composition according to the invention for example in the case of Ge 2 2, 2 Sn 6, 4 In 3, 2 S 63, 3 C1 4, 8 doped with 1040 mol ppm praseodymium, has a fluorescence lifetime of 460 ⁇ s.
- the glass composition according to the invention has a particularly low phonon energy, which largely prevents the quenching of the laser energy from 1 G4 to 3 F by radiation-free phonon transitions.
- G ⁇ 24 ⁇ ln 7 S48 2 20 6 ⁇ doped with 1000 mol-ppm praseodymium has a maximum phonon energy of 436 cm " measured by Raman spectroscopy. Comparable values, described for example in the
- sulfides of the elements of the fourth or fifth main group which have a three-dimensional tetragonal solid structure, ie. H. whose MS4 units form edge-linked tetrahedron chains. They are isostructural to corresponding oxidic glasses, in particular silicate glasses, and enable good solubilities for almost all rare earth metal cations.
- lead, antimony or bismuth is preferred, which leads to particularly high chemical resistance and furthermore supports the further incorporation of rare earth cations.
- the glass composition is produced in such a way that pure elements, halides or sulfides of the corresponding metals and semimetals are used as constituents. This can result in a high Purity of the substances used can be achieved without any problems, since in particular pure elements can be supplied from the corresponding manufacturers in the highest possible purity level.
- Halides and / or sulfides may be purified by distillation or sublimation.
- the constituents of the glass composition are mixed intimately and reacted with one another in a melting process with the exclusion of air. This prevents oxygen anions from being incorporated into the glass composition in the case of non-oxide glasses.
- the quenching of the glass composition thus obtained is advantageously carried out either in air or in water.
- the raw glass thus produced is comminuted to powder particles in a particularly advantageous manner and taken up in a suitable solvent.
- a wet chemical method is used in which a colloidal solution of the powder particles taken up is used. This enables a high solids content of the solution to be achieved, which almost completely precludes later shrinking processes of the applied layers during thermal compaction.
- the solvent used preferably an aliphatic amine, such as propylamine, n-butylamine or ethylenediamine, acts as a stabilizer for the colloidally dispersed solution of the powder particles.
- FIG. 1 shows an energy level diagram of Pr +
- FIG. 2 shows an energy level diagram of Yb 3 + and Pr 3+ and the energy transfer from Yb 3+ to Pr 3+ ,
- FIG. 3 shows a fluorescence spectrum of the 1.3 ⁇ m emission band of the 1 G4 ⁇ 3 H5 transition in a glass composition according to the invention
- Figure 4 shows the fluorescence lifetime of the 1 G4 ⁇ state of
- FIG. 5 shows the fluorescence lifetime of the 1 G4 state of Pr 3+ as a function of the Pr 3+ doping level of a glass composition according to the invention.
- FIG. 6 shows the excitation spectrum of a co-doped glass composition according to the invention
- Figure 7 is a three-phase diagram of an inventive
- Tables 1 to 5 Examples of the glass composition according to the invention are shown in Tables 1 to 5.
- the tables show the doping levels of Pr, Er or Yb in mol ppm, based on the total concentration of cations.
- Figure 1 shows the energy level scheme of Pr 3+ .
- the abscissa represents the relative energy in the unit 10 3 cm -1 .
- Pr 3+ is raised from the ground state 3 H 4 by an excitation energy of approx. 1020 nm, for example by a laser, to the laser energy level 1 G4.
- fluorescence radiation with a wavelength of approximately 1.3 ⁇ m is emitted, in this case of 1.33 ⁇ m (1330 nm).
- FIG. 2 shows the energy level diagram for the energy transfer of a praseodymium chalchalide glass composition according to the invention co-doped with Yb 3+ .
- the abscissa represents the relative energy in the unit 10 3 cm ⁇ 1 .
- Yb is first 3+ 7 2 transferred from the ground state 2 F by a power supply, for example by a laser diode of 980 nanometers in the F 5/2 state, the spin-forbidden its energy nonradiative on the emitting 1 G 4 state of Pr 3+ transmits.
- the desired wavelength is emitted by falling back of the now excited Pr 3+ from ⁇ 4 to 3 H5.
- the emission maximum is between 1325 and 1345 nm.
- Figure 3 shows the fluorescence wavelength of the glass composition Ge28 ⁇ -n6 s 56 c -'- 10 ( s - Table 1), doped with 1000 mol-ppm praseodymium with excitation with 1025 nm, the 1.3 ⁇ m fluorescence of the Pr 3+ Transition is at 1338 nm.
- the abscissa shows the fluorescence intensity in relative units and the ordinate the wavelength in nm.
- Table 1 Glass composition based on sulfide and sulfide chloride.
- FIG. 4 with the associated table 4 shows the fluorescence lifetime in ⁇ s of the 1 G state of Pr 3+ as a function of the chloride content in the glass composition Ge22 Sn 6 4 In 3 2 s 67-x c - L x is clearly recognizable that an optimum between 6 and 13 atomic% chloride content is achieved based on the total anions.
- the maxima are between 6.5 and 10 atom% chloride content based on the total anions. From a chloride content of 25 atomic% based on the total anions of the glass composition, the glass decomposes and in particular hydrolyses.
- Figure 5 shows the fluorescence lifetime in microseconds of the 1 G4 state of Pr 3+ on the abscissa as a function of the Pr doping level on the ordinate in the glass composition Ge 2 gIng_ x Pr x S5 I 1 o. It can be seen here that low doping with praseodymium leads to longer fluorescence lifetimes. The maximum lifetime is achieved with the composition Ge28 ⁇ - n 6 s 56 I 10 doped with 1000 mol ppm Pr 3+ .
- Figure 6 shows the excitation spectrum of the glass composition Ge 2 5 7 t> ⁇ 9 (In + Yb) 5/7 Sg 0 4Clg g (s. Table 2), which ppm molar of 5000 mol ppm of Pr 3+ and 10000 Yb 3 + is doped or co-doped.
- the abscissa indicates the fluorescence intensity in relative units and the ordinate that
- FIG. 6 shows the difference in the fluorescence intensity of the 1.3 ⁇ m fluorescence of Pr 3+ when excited with different wavelengths. Excitation of the Yb 3+ ions with 987.7 nm shows that the transferred energy becomes a
- compositions have the shape
- FIG. 7 shows a three-phase diagram for a glass composition according to the invention which contains Ga2S3, Sb2S3 and GeS2 as essential constituents.
- Area 1 includes the prior art disclosed in U.S. Patent 5,392,376 for such mixtures.
- the invention Glass composition comprises area 2, which is identified by points A, B, C and D.
- All the exemplary embodiments of the glass composition according to the invention have in common a long fluorescence lifetime ⁇ eff of up to 460 ⁇ s.
- the phonon energy of the glass composition according to the invention is generally very low.
- l In 7, l s 48 2 I 20 6 doped with 1000 mol ppm Pr 3+ , ⁇ eff 309 ⁇ s and the phonon energy is 436 cm.
- Table 3 Glass composition with 2 different halides.
- the glass composition according to the invention characterized by a few exemplary embodiments, also has good temperature stability, indicated by the glass transition temperature T g .
- the glass composition according to the invention has a very high moisture resistance.
- the glass composition according to the invention is produced, for example, by melting the constituents in cleaned, evacuated silica glass ampoules and then quenching them in air or in ice water.
- Starting materials are used in the highest commercially available degrees of purity. If necessary, the starting materials by sublimation or
- the starting materials in particular high-purity germanium, indium, tin, erbium, Pr2S3, Yb2S3, Er2S3 and PbCl2, were obtained from Chempur, GeBr4, Sb and iodine from Alfa, Johnson Matthey, purified sulfur from Vitron, InCl3 from Strem and SrS from Cerac.
- Thin glass film layers are produced from the glass composition according to the invention by means of the new method according to the invention.
- substrates can be coated with colloidal solutions with a high solids content.
- the raw glass is pulverized and colloidally dissolved in a solvent, preferably an aliphatic amine, for example propylamine, n-butylamine or ethylenediamine.
- a solvent preferably an aliphatic amine, for example propylamine, n-butylamine or ethylenediamine.
- the Solvents also act as stabilizers for the colloids, which is ensured by the aliphatic amines used.
- the colloidal solutions in aliphatic amines can be diluted with suitable inert solvents, for example acetone, ethanol, propanols or acetonitrile.
- colloidal solutions using solvents which are a mixture of alphatic amines and the inert solvents.
- solvents which are a mixture of alphatic amines and the inert solvents.
- the colloidal solutions obtained in this way are used to produce praseodymium-doped chalcogenide and chalcohalide glass layers by means of a known immersion or spin-on process on a substrate, for example ITO (indium tin oxide), plastics or other suitable substrates, and then by thermal Aftertreatment compacted.
- ITO indium tin oxide
- These layers are then laterally structured in a simple manner by processes known per se, for example ion etching or UV exposure.
- AS2S3 glasses are dissolved in 1 ml propylamine and stirred at 20 ° C for 1 h. After filtration through a filter with an average pore size of 0.5 ⁇ m, a clear yellow solution is obtained.
- This can be used to produce coatings on glass substrates by dip coating, spin coating or spray coating. The thermal compression takes place at 130 ° C.
- the coating solution can be spin-coated at 1000 rpm for 30 seconds and then compacted at 130 ° C. Produce layers with a thickness of 0.5 ⁇ m on which the 1.3 ⁇ m fluorescence can be detected.
- the glass composition according to the invention is thus used in the form of fiber lasers, fiber amplifiers, glass lasers, planar waveguide lasers, planar waveguide amplifiers, etc.
- Table 4 Variation of the chloride content in atomic% of the anions.
- Table 5 Variation of the Pr 3+ doping level with a Ge-In-SI glass composition.
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Abstract
The invention relates to the production of a glass composition based on rare earth metal doped chalcogenide and chalcohalide glass with or without co-doping and to a method for producing the same, in addition to a method for producing thin, transparent glass layers and the use thereof as optical components. The glass composition contains at least one element from the third main group, at least one element from the fourth main group, at least one halogenide element and at least one rare earth metal element as a doping additive, in addition to sulfur.
Description
Glaszusammensetzung mit einem Phononenspektrum niedriger Energie. Verfahren zu deren Herstellung sowie deren VerwendungGlass composition with a low energy phonon spectrum. Process for their preparation and their use
Die Erfindung betrifft eine transparente GlasZusammensetzung nach der Gattung des Anspruches 1, die sehr gute Transmissionseigenschaften bis weit in den infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums aufweist und ein Phononenspektrum niedriger Energie besitzt. Es wird ein Verfahren zur Herstellung dieser Glaszusammensetzung beschrieben, sowie ein Verfahren zur Herstellung dünner Schichten aus der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung und deren Verwendung zur Herstellung optischer Bauelemente.The invention relates to a transparent glass composition according to the preamble of claim 1, which has very good transmission properties far into the infrared range of the electromagnetic spectrum and has a phonon spectrum of low energy. A method for producing this glass composition is described, as well as a method for producing thin layers from the glass composition according to the invention and their use for producing optical components.
Stand der TechnikState of the art
In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von mit Elementen der Seltenerdmetalle dotierten Glaszusammensetzungen zur Verwendung in Faserübertragungssystemen, mit Laserdioden gepumpten Glasfaserverstärkern (LD-PDFA) sowie Glasfaserkabeln beschrieben.In recent years, a variety of rare earth element doped glass compositions for use in fiber transmission systems, laser diode pumped fiber optic amplifiers (LD-PDFA), and fiber optic cables have been described.
Es ist bekannt, daß es zwei sogenannteIt is known that there are two so-called
„Telekommunikationsfenster" bei seltenerdmetalldotierten Glasfaserübertragungssystemen gibt, bei denen eine optische Verstärkung bei einer Fluoreszenzwellenlänge der angeregten Seltenerdmetallkationen von 1.3 μm und 1.5 μm erfolgt. Derzeit werden sehr gute und kommerziell nutzbare Erfolge
mit Er-dotierten Silikatfasern zur Verwendung im 1,5 μm- Telekommunikationsfenster erzielt (EP 0439867 Bl) .There are "telecommunications windows" in rare earth-doped glass fiber transmission systems in which optical amplification takes place at a fluorescence wavelength of the excited rare earth metal cations of 1.3 μm and 1.5 μm. Very good and commercially usable successes are currently being achieved achieved with Er-doped silicate fibers for use in the 1.5 μm telecommunications window (EP 0439867 Bl).
Demgegenüber stehen entsprechende GlasZusammensetzungen für potentielle Anwendungen im zweiten optischenIn contrast, there are corresponding glass compositions for potential applications in the second optical
Telekommunikationsfenster bei 1,3 μm nicht in befriedigendem Maße zur Verfügung. Fast alle der bislang beschriebenen Gläser basieren auf einer Sulfid- oder Oxid-Matrix. Nachteile fast aller dieser bisher bekannten Gläser liegen in deren starker Hydrophilie, der schlechten Bandenlage der emittierten Strahlung oder in der schlechten Löslichkeit, d.h. den schlechten Einbau von Seltenerdmetallkationen in die Strukturen derartiger Gläser. In der US-PS 5,389,584 werden AsGe-Sulfidgläser mit Gallium und Indium Zusätzen beschrieben, die eine gute Löslichkeit für Seltenerdmetalle aufweisen. Dem soll zugrunde liegen, daß Galliumsulfid in Form von seitenverbrückten GaS4 -Tetraedern in der Glasstruktur vorliegt, in deren Tetraederlücken sich Seltenerdmetallkationen ähnlich gut einlagern können wie in den vergleichbaren rein oxidischen Gläsern, die typischerweise ein dreidimensionales Netzwerk von relativ ionisch gebundenen MO4-Tetraedern aufweisen, bei denen M ein sogenanntes „netzwerkbildendes" Element, beispielsweise Silizium, Phosphor, Aluminium, Bor, etc. ist.Telecommunication windows at 1.3 μm are not available to a satisfactory degree. Almost all of the glasses described so far are based on a sulfide or oxide matrix. Disadvantages of almost all of these previously known glasses are their strong hydrophilicity, the poor band position of the emitted radiation or the poor solubility, i.e. the poor incorporation of rare earth metal cations into the structures of such glasses. US Pat. No. 5,389,584 describes AsGe sulfide glasses with gallium and indium additives which have good solubility for rare earth metals. This is supposed to be based on the fact that gallium sulfide is present in the glass structure in the form of side-bridged GaS4 tetrahedra, in the tetrahedron gaps of which rare earth metal cations can be embedded as well as in the comparable purely oxidic glasses, which typically have a three-dimensional network of relatively ionically bound MO4 tetrahedra, in which M is a so-called “network-forming” element, for example silicon, phosphorus, aluminum, boron, etc.
Das bislang einzige kommerziell erhältliche Glas, welches im 1,3 μm-Telekommunikationsfenster effektiv Fluoreszenz und damit optische Verstärkung aufweist, ist das mit Praseodym dotierte sogenannte „ZBLAN"-Glas auf Fluoridbasis, beispielsweise beschrieben in dem Artikel von M. Yamada et al . in: IEEE Photonics Technology Letters, 1992, 4 , 994-996.The only commercially available glass to date which has fluorescence and thus optical amplification in the 1.3 μm telecommunication window is the so-called “ZBLAN” glass based on fluoride, doped with praseodymium, for example described in the article by M. Yamada et al. In : IEEE Photonics Technology Letters, 1992, 4, 994-996.
Die Co-Dotierung von Gläsern mit einem zweiten Element der Seltenen Erden als „Pump- Ion", welches eine niedrigere Anregungswellenlänge für das fluoreszierende Ion durch
Energieübertragung vom Pump- Ion auf das emittierende Ion ermöglicht und darüberhinaus den in der Regel viel höheren Absorptionsquerschnitt des Pump- Ions verglichen mit dem laseraktiven Ion effizient nutzt, stellt ein bislang nur unbefriedigend gelöstes Problem hinsichtlichThe co-doping of glasses with a second element of the rare earth as "pump ion", which has a lower excitation wavelength for the fluorescent ion Enabling energy transfer from the pump ion to the emitting ion and, moreover, making efficient use of the generally much higher absorption cross section of the pump ion compared to the laser-active ion, poses an unsatisfactorily solved problem with regard to this
Fluoreszenzlebensdauer und Quanteneffizienz dar. Die Pr- dotierten ZBLAN Gläser, co-dotiert mit Yb, liefern in diesem Falle nur wenig zufriedenstellende Ergebnisse (P. Xie und T. R. Gosnell in: Electronics Letters 1995, 31,191). Gleiches gilt für die - darüberhinaus hygroskopischen.- mit Dy oder Pr dotierten, Yb als Co-Dotierungselement enthaltenden, Glaszusammensetzungen (US-PS 5,379,149).Fluorescence lifetime and quantum efficiency. In this case, the Pr-doped ZBLAN glasses, co-doped with Yb, provide only unsatisfactory results (P. Xie and T. R. Gosnell in: Electronics Letters 1995, 31,191). The same applies to the glass compositions (also hygroscopic) doped with Dy or Pr and containing Yb as a co-doping element (US Pat. No. 5,379,149).
Diese erwähnten Probleme sind auf die Wahl der Glasmatrix, d.h. auf die dadurch verursachte TermaufSpaltung desThese problems mentioned are due to the choice of the glass matrix, i.e. to the resulting split in terms of the
Seltenerdmetallkations zurückzuführen. Dem liegt die enge Nachbarschaft der niedrig liegenden Energieniveaux zu dem hochgelegenen 1G4 Term des oberen Laserniveaus zugrunde. Der 1,3 μm-Übergang von Pr3 + findet zwischen dem hochgelegenen 1G4 Energieniveau und dem tiefgelegenen 3H5-Energieniveau statt. Im Energieniveau-Diagramm von Pr3+, dargestellt in Figur 1, beträgt die Energiedifferenz zwischen 1G4 und 3F4 ungefähr 3000 cm" . Es ist bekannt, daß angeregte 1G4 Zustände durch strahlungslose, spinverbotene Phononenübergänge auf den 3F4 Zustand gequencht werden, sofern genügend energiereiche Phononen zur Verfügung stehen. Generell liegt die höchste Phononenenergie, beispielsweise in Oxid-Gläsern, in der Größenordnung von 1100 cm" , so daß nur drei derartige Phononen benötigt werden, um die Differenz zwischen dem 1G4 -Niveau und dem 3F4-Niveau strahlungslos zu überbrücken. Dies führt im Extremfall dazu, daß keine meßbaren Emissionen bei 1,3 μm beobachtet werden können. ZBLAN Glasmatrizes lösen dieses fundamentale Problem durch Verwendung von Fluoriden, die die TermaufSpaltung des Seltenerdmetallkations ändern und darüberhinaus die
höchstmögliche Phononenenergie auf ca. 500 cm" vermindern. Es werden daher mindestens 6 Phononen benötigt, um die Energiedifferenz 1G4-3F zu überbrücken.Attributed to rare earth metal cations. This is based on the close proximity of the low-lying energy levels to the high-lying 1 G4 term of the upper laser level. The 1.3 μm transition from Pr 3 + takes place between the high 1 G4 energy level and the low 3 H 5 energy level. In the energy level diagram of Pr 3+ , shown in Figure 1, the energy difference between 1 G 4 and 3 F 4 is approximately 3000 cm " . It is known that excited 1 G 4 states due to radiationless, spin-prohibited phonon transitions to the 3 F4 state are quenched, provided sufficient high-energy phonons are available. In general, the highest phonon energy, for example in oxide glasses, is of the order of 1100 cm " , so that only three such phonons are required to make up the difference between the 1 G 4 level and to bridge the 3 F 4 level without radiation. In extreme cases, this means that no measurable emissions can be observed at 1.3 μm. ZBLAN glass matrices solve this fundamental problem by using fluorides, which change the term splitting of the rare earth metal cation and also the Reduce the maximum possible phonon energy to approx. 500 cm " . At least 6 phonons are therefore required to bridge the energy difference 1 G 4 - 3 F.
Es war daher die Aufgabe zu lösen, eine Glaszusammensetzung zu entwickeln, die ein niedrigenergetisches Phononenspektrum aufweist, welche so als Matrix für optisch aktive Seltenerdmetallkationen verwendet werden kann, die in dieser Matrix eine lange Fluoreszenzlebensdauer mit hoher Quanteneffizienz bei günstigen Bandenlagen der emittierten Strahlung um 1,3 μm aufweisen. Darüberhinaus sollte eine derartige GlasZusammensetzung, die ein zusätzliches Pump-Ion der Seltenen Erden als Co-Dotierung aufweist zur effizienten Anregung, beispielsweise für optische Verstärker, zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin sollte ein Verfahren zur Herstellung dünner Schichten aus der erfindungsgemäßen GlasZusammensetzung entwickelt werden.It was therefore the task to solve a glass composition which has a low-energy phonon spectrum, which can thus be used as a matrix for optically active rare earth metal cations, which in this matrix has a long fluorescence lifetime with high quantum efficiency with favorable band positions of the emitted radiation around 1. 3 μm. In addition, such a glass composition should be made available, which has an additional pump ion of the rare earths as co-doping for efficient excitation, for example for optical amplifiers. Furthermore, a method for producing thin layers from the glass composition according to the invention should be developed.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße GlasZusammensetzung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches bietet den überraschenden Vorteil, daß durch die Kombination von Schwefel und Halogenen in Form ihrer Anionen seltenerdmetall-dotierte Chalkohalidgläser erhalten werden, die eine überraschend günstige Bandenlage der Praseodym- Fluoreszenz, eine hohe Fluoreszenz-Lebensdauer und gute chemische Beständigkeit, insbesondere gegenüber Feuchtigkeit in sich vereinen. Ein wichtiger Grund für die vorteilhafte hohe Löslichkeit der Elemente der Seltenen Erden in der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung liegt in der Verwendung von Halogenidanionen, die darüberhinaus die Lage der Fluoreszenzbande beeinflussen. Die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung zeigt durch den Zusatz von Halogeniden eine gegenüber analogen Sulfidgläsern hohe
Fluoreszenzlebensdauer von bis zu 460 μs . Durch Einstellen des Halogenidgehaltes auf ein Minimum wird eine gute chemische Beständigkeit der GlasZusammensetzung, insbesondere gegenüber Luftfeuchtigkeit, erreicht. Die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung hat beispielsweise im Falle von Ge22 , 2Sn6 , 4In3 , 2S63 , 3C14 , 8 dotiert mit 1040 Mol- ppm Praseodym eine Fluoreszenz-Lebensdauer von 460 μs . Darüberhinaus besitzt die erfindungsgemäße GlasZusammensetzung eine besonders niedrige Phononenenergie, was das Quenching der Laserenergie von 1G4 nach 3F durch strahlungslose Phononenübergänge weitgehend verhindert. Beispielsweise weist Gβ24 ιln7 S48 2 20 6 < dotiert mit 1000 Mol-ppm Praseodym, eine mittels Ramanspektroskopie gemessene maximale Phononenenergie von 436 cm" auf. Vergleichbare Werte, beschrieben beispielsweise in demThe glass composition according to the invention with the characterizing features of the main claim offers the surprising advantage that the combination of sulfur and halogens in the form of their anions gives rare earth-doped chalchalide glasses which have a surprisingly favorable band position of praseodymium fluorescence, a long fluorescence life and good chemical resistance, especially against moisture. An important reason for the advantageous high solubility of the rare earth elements in the glass composition according to the invention lies in the use of halide anions, which moreover influence the position of the fluorescence band. Due to the addition of halides, the glass composition according to the invention shows a high level compared to analog sulfide glasses Fluorescence life of up to 460 μs. By setting the halide content to a minimum, the glass composition has good chemical resistance, in particular to atmospheric humidity. The glass composition according to the invention, for example in the case of Ge 2 2, 2 Sn 6, 4 In 3, 2 S 63, 3 C1 4, 8 doped with 1040 mol ppm praseodymium, has a fluorescence lifetime of 460 μs. In addition, the glass composition according to the invention has a particularly low phonon energy, which largely prevents the quenching of the laser energy from 1 G4 to 3 F by radiation-free phonon transitions. For example, Gβ24 ιln 7 S48 2 20 6 < doped with 1000 mol-ppm praseodymium has a maximum phonon energy of 436 cm " measured by Raman spectroscopy. Comparable values, described for example in the
Artikel von J. Heo und J. D. MacKenzie in: Journal of Non- Crystalline-Solids 1989, 211, 29, zeigen für das bisher beste bekannte System Ge3gSgoIιo dotiert mit 1000 Mol-ppm Praseodym, eine maximale Phononenenergie von 476 cm" .Articles by J. Heo and JD MacKenzie in: Journal of Non-Crystalline-Solids 1989, 211, 29, show for the best known system Ge3gSgoIιo doped with 1000 mol-ppm praseodymium, a maximum phonon energy of 476 cm " .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Advantageous refinements of the glass composition according to the invention result from the features mentioned in the subclaims.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Sulfiden der Elemente der vierten oder fünften Hauptgruppe, die eine dreidimensionale tetragonale Festkörperstruktur aufweisen, d. h. , deren MS4 -Einheiten kantenverknüpfte Tetraederketten bilden. Sie sind damit isostrukturell zu entsprechenden oxidischen Gläsern, insbesondere Silikatgläsern, und ermöglichen gleich diesen gute Löslichkeiten für nahezu sämtliche Seltenerdmetallkationen.The use of sulfides of the elements of the fourth or fifth main group, which have a three-dimensional tetragonal solid structure, ie. H. whose MS4 units form edge-linked tetrahedron chains. They are isostructural to corresponding oxidic glasses, in particular silicate glasses, and enable good solubilities for almost all rare earth metal cations.
Bevorzugt ist der Zusatz von Blei, Antimon oder Wismut, was zu besonders hoher chemischer Beständigkeit führt und darüberhinaus den weiteren Einbau von Kationen der seltenen Erden unterstützt.The addition of lead, antimony or bismuth is preferred, which leads to particularly high chemical resistance and furthermore supports the further incorporation of rare earth cations.
In besonders vorteilhafter Weise werden bis zu 10 Atom% Sauerstoffanionen in die erfindungsgemäßeIn a particularly advantageous manner, up to 10 atom% of oxygen anions are incorporated into the invention
Glaszusammensetzung eingebaut, was zu einer noch größerenGlass composition built in, resulting in an even larger
Löslichkeit der Seltenerdkationen, insbesondere Ytterbium, aufgrund der oben erwähnten strukturellen Effekte führt.Solubility of the rare earth cations, especially ytterbium, due to the structural effects mentioned above.
Dies ermöglicht die vereinfachte Herstellung von Yb3+ co- dotierten praseodymdotierten Sulfidgläsern, bei denen einThis enables the simplified production of Yb 3+ co-doped praseodymium-doped sulfide glasses, in which a
Energietransfer vom angeregten 2Fs 2 Yk>3+ Term auf den laseraktiven 1G4 Pr3+ Term erfolgt.Energy transfer from the excited 2 Fs 2 Yk> 3+ term to the laser active 1 G4 Pr 3+ term.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die erfindungsgemäßen seltenerddotierten Chalkohalid- undIn a further advantageous embodiment, the rare earth-doped chalchalide and
Sulfidgläser mit Yb oder Er co-dotiert, wodurch niedrige Anregungswellenlängen für die Fluoreszenzemission und eine höhere Fluoreszenzeffizienz des Seltenerdkations erzielt werden. Damit ist der Einsatz von kostengünstigen Laserdioden mit geringerer Leistung wesentlich vereinfacht.Sulfide glasses co-doped with Yb or Er, resulting in low excitation wavelengths for fluorescence emission and a higher fluorescence efficiency of the rare earth cation. This considerably simplifies the use of low-cost, low-power laser diodes.
In einem bevorzugten Verfahren wird die Glaszusammensetzung derart hergestellt, daß als Bestandteile reine Elemente, Halogenide oder Sulfide der entsprechenden Metalle und Halbmetalle verwendet werden. Dadurch kann eine hohe
Reinheit der eingesetzten Stoffe problemlos erzielt werden, da insbesondere Reinelemente von entsprechenden Herstellern in der höchstmöglichen Reinheitsstufe geliefert werden können. Halogenide und/oder Sulfide werden ggf .durch Destillation oder Sublimation gereinigt.In a preferred process, the glass composition is produced in such a way that pure elements, halides or sulfides of the corresponding metals and semimetals are used as constituents. This can result in a high Purity of the substances used can be achieved without any problems, since in particular pure elements can be supplied from the corresponding manufacturers in the highest possible purity level. Halides and / or sulfides may be purified by distillation or sublimation.
In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden die Bestandteile der Glaszusammensetzung innig gemischt und in einem Schmelzprozeß unter Luftausschluß miteinander zur Reaktion gebracht. Dabei wird vermieden, daß sich bei nichtoxidischen Gläsern Sauerstoffanionen in die GlasZusammensetzung einlagern. Das Abschrecken der so erzielten GlasZusammensetzung erfolgt vorteilhafterweise entweder an Luft oder auch in Wasser.In a preferred embodiment of the method, the constituents of the glass composition are mixed intimately and reacted with one another in a melting process with the exclusion of air. This prevents oxygen anions from being incorporated into the glass composition in the case of non-oxide glasses. The quenching of the glass composition thus obtained is advantageously carried out either in air or in water.
Zur Herstellung transparenter dünner Schichten wird in besonders vorteilhafter Weise das so hergestellte Rohglas zu Pulverteilchen zerkleinert und in einem geeigneten Lösungsmittel aufgenommen.In order to produce transparent thin layers, the raw glass thus produced is comminuted to powder particles in a particularly advantageous manner and taken up in a suitable solvent.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird ein naßchemisches Verfahren verwendet, bei dem eine kolloidale Lösung der aufgenommenen Pulverteilchen verwendet wird. Damit kann ein hoher Feststoffgehalt der Lösung erzielt werden, was spätere Schrumpfprozesse der aufgebrachten Schichten während des thermischen Verdichtens nahezu vollständig ausschließt.In a further preferred embodiment, a wet chemical method is used in which a colloidal solution of the powder particles taken up is used. This enables a high solids content of the solution to be achieved, which almost completely precludes later shrinking processes of the applied layers during thermal compaction.
In besonders vorteilhafter Ausführung wirkt das verwendete Lösungsmittel, vorzugsweise ein aliphatisches Amin, wie beispielsweise Propylamin, n-Butylamin oder Ethylendiamin, als Stabilisator für die kolloiddisperse Lösung der Pulverteilchen. Damit werden die bekannten Probleme bei der Herstellung von basischen sulfidischen seltenerdmetalldotierten Glaslösungen, die unter diesen
Bedingungen ein Ausfällen der unvermeidlich entstehenden Seltenerdmetallhydroxide aufweisen, besonders vorteilhaft vermieden.In a particularly advantageous embodiment, the solvent used, preferably an aliphatic amine, such as propylamine, n-butylamine or ethylenediamine, acts as a stabilizer for the colloidally dispersed solution of the powder particles. This addresses the known problems in the production of basic sulfidic rare earth-doped glass solutions, which are among these Conditions have a precipitation of the inevitably arising rare earth hydroxides, avoided particularly advantageous.
Zeichnungdrawing
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail below in exemplary embodiments with reference to the associated drawings. Show it
Figur 1 ein Energieniveaudiagramm von Pr +,FIG. 1 shows an energy level diagram of Pr + ,
Figur 2 ein Energieniveaudiagramm von Yb3+ und Pr3+ sowie den Energietransfer von Yb3+ auf Pr3+,FIG. 2 shows an energy level diagram of Yb 3 + and Pr 3+ and the energy transfer from Yb 3+ to Pr 3+ ,
Figur 3 ein Fluoreszenzspektrum der 1,3 μm-Emissionsbande des 1G4~3H5 Überganges in einer erfindungsgemäßen GlasZusammensetzung,FIG. 3 shows a fluorescence spectrum of the 1.3 μm emission band of the 1 G4 ~ 3 H5 transition in a glass composition according to the invention,
Figur 4 die Fluoreszenz-Lebensdauer des 1G4~Zustandes vonFigure 4 shows the fluorescence lifetime of the 1 G4 ~ state of
Pr3+ als Funktion des Chloridgehaltes einer erfindungsgemäßen Glaszusammenzusetzung,Pr 3+ as a function of the chloride content of a glass composition according to the invention,
Figur 5 die Fluoreszenzlebensdauer des 1G4 -Zustandes von Pr3+ als Funktion des Pr3+ Dotierungsgrades einer erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung.FIG. 5 shows the fluorescence lifetime of the 1 G4 state of Pr 3+ as a function of the Pr 3+ doping level of a glass composition according to the invention.
Figur 6 das Anregungsspektrum einer co-dotierten erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung,FIG. 6 shows the excitation spectrum of a co-doped glass composition according to the invention,
Figur 7 ein Dreiphasendiagramm einer erfindungsgemäßenFigure 7 is a three-phase diagram of an inventive
Glaszusammensetzung mit einem Bereich 1 und einem Bereich 2
AusführungsbeispieleGlass composition with an area 1 and an area 2 Embodiments
Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung zeigen die Tabellen 1 bis 5. In den Tabellen sind die Dotierungsgrade an Pr, Er oder Yb in Mol- ppm, bezogen auf die Gesamtkonzentration an Kationen, angegeben .Examples of the glass composition according to the invention are shown in Tables 1 to 5. The tables show the doping levels of Pr, Er or Yb in mol ppm, based on the total concentration of cations.
Figur 1 zeigt das Energieniveauschema von Pr3+. Die Abszisse gibt die relative Energie in der Einheit 103cm-1 wieder. Pr3+ wird aus dem Grundzustand 3H4 durch eine Anregungsenergie von ca 1020 nm, beispielsweise durch einen Laser, auf das Laserenergieniveau 1G4 gehoben. Durch Zurückfallen auf 3H5 wird eine Fluoreszenzstrahlung mit einer Wellenlänge von ca. 1,3 μm emittiert, in diesem Falle von l,33μm (1330nm) .Figure 1 shows the energy level scheme of Pr 3+ . The abscissa represents the relative energy in the unit 10 3 cm -1 . Pr 3+ is raised from the ground state 3 H 4 by an excitation energy of approx. 1020 nm, for example by a laser, to the laser energy level 1 G4. By falling back to 3 H 5 , fluorescence radiation with a wavelength of approximately 1.3 μm is emitted, in this case of 1.33 μm (1330 nm).
Figur 2 zeigt das Energieniveauschema für den Energietransfer einer mit Yb3+ co-dotierten erfindungsgemäßen Praseodym-Chalkohalidglaszusammensetzung. Die Abszisse gibt die relative Energie in der Einheit 103cm~ 1 wieder. Dabei wird zuerst Yb3+ aus dem Grundzustand 2F7 2 durch eine Energiezufuhr, beispielsweise durch eine Laserdiode, von 980 Nanometern in den F5/2 Zustand überführt, der seine Energie spinverboten, strahlungslos auf den emittierenden 1G4-Zustand von Pr3+ überträgt. Durch Zurückfallen des nunmehr angeregten Pr3+ von ^4 nach 3H5 wird die gewünschte Wellenlänge ausgestrahlt. Bei allen Beispielen der erfindungsgemäßen GlasZusammensetzung liegt das Emissionsmaximum zwischen 1325 und 1345 nm.FIG. 2 shows the energy level diagram for the energy transfer of a praseodymium chalchalide glass composition according to the invention co-doped with Yb 3+ . The abscissa represents the relative energy in the unit 10 3 cm ~ 1 . In this case, Yb is first 3+ 7 2 transferred from the ground state 2 F by a power supply, for example by a laser diode of 980 nanometers in the F 5/2 state, the spin-forbidden its energy nonradiative on the emitting 1 G 4 state of Pr 3+ transmits. The desired wavelength is emitted by falling back of the now excited Pr 3+ from ^ 4 to 3 H5. In all examples of the glass composition according to the invention, the emission maximum is between 1325 and 1345 nm.
Figur 3 zeigt die Fluoreszenz-Wellenlänge der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung Ge28τ-n6s56c-'-10 (s- Tabelle 1) , dotiert mit 1000 Mol-ppm Praseodym bei einer Anregung mit 1025 nm, wobei die 1,3 μm Fluoreszenz des Pr3+
Überganges bei 1338 nm liegt. Die Abszisse gibt die Fluoreszenz-Intensität in relativen Einheiten und die Ordinate die Wellenlänge in nm wieder.Figure 3 shows the fluorescence wavelength of the glass composition Ge28 τ -n6 s 56 c -'- 10 ( s - Table 1), doped with 1000 mol-ppm praseodymium with excitation with 1025 nm, the 1.3 μm fluorescence of the Pr 3+ Transition is at 1338 nm. The abscissa shows the fluorescence intensity in relative units and the ordinate the wavelength in nm.
Tabelle 1: Glaszusammensetzung auf Sulfid- und Sulfid- Chlorid Basis.Table 1: Glass composition based on sulfide and sulfide chloride.
Figur 4 mit der zugehörigen Tabelle 4 zeigt an der Abszisse die Fluoreszenz-Lebensdauer in μs des 1G -Zustandes von Pr3+ als Funktion des Chloridgehaltes in der Glaszusammensetzung Ge22Sn6 4In3 2s67-xc-Lx- Dabei ist klar erkenntlich, daß ein Optimum zwischen 6 und 13 Atom% Chloridgehalt bezogen auf die Gesamtanionen erreicht wird. Die Maxima liegen zwischen 6,5 und 10 Atom% Chloridgehalt bezogen auf die Gesamtanionen. Ab 25 Atom% Chloridgehalt bezogen auf die Gesamtanionen der Glaszusammensetzung erfolgt Zersetzung und insbesondere Hydrolyse des Glases. FIG. 4 with the associated table 4 shows the fluorescence lifetime in μs of the 1 G state of Pr 3+ as a function of the chloride content in the glass composition Ge22 Sn 6 4 In 3 2 s 67-x c - L x is clearly recognizable that an optimum between 6 and 13 atomic% chloride content is achieved based on the total anions. The maxima are between 6.5 and 10 atom% chloride content based on the total anions. From a chloride content of 25 atomic% based on the total anions of the glass composition, the glass decomposes and in particular hydrolyses.
Figur 5 mit der dazugehörigen Tabelle 5 zeigt die Fluoreszenzlebensdauer in μs des 1G4-Zustandes von Pr3+ an der Abszisse als Funktion des Pr-Dotierungsgrades an der Ordinate in der Glaszusammensetzung Ge2gIng_xPrxS5 I1o . Man erkennt hierbei, daß eine geringe Dotierung mit Praseodym zu längeren Fluoreszenz-Lebensdauern führt. Die maximale Lebensdauer wird bei der Zusammensetzung Ge28τ-n6s56I10 dotiert mit 1000 Mol-ppm Pr3+erreicht .Figure 5 with the associated Table 5 shows the fluorescence lifetime in microseconds of the 1 G4 state of Pr 3+ on the abscissa as a function of the Pr doping level on the ordinate in the glass composition Ge 2 gIng_ x Pr x S5 I 1 o. It can be seen here that low doping with praseodymium leads to longer fluorescence lifetimes. The maximum lifetime is achieved with the composition Ge28 τ - n 6 s 56 I 10 doped with 1000 mol ppm Pr 3+ .
Figur 6 zeigt das Anregungsspektrum der Glaszusammensetzung Ge25 7 t>ι 9 (In+Yb) 5/ 7Sg0 4Clg g (s. Tabelle 2), welche mit 5000 mol-ppm Pr3+ und 10000 Mol-ppm Yb3+ dotiert bzw. co- dotiert ist. Die Abszisse gibt die Fluoreszenz-Intensität in relativen Einheiten an und die Ordinate dieFigure 6 shows the excitation spectrum of the glass composition Ge 2 5 7 t> ι 9 (In + Yb) 5/7 Sg 0 4Clg g (s. Table 2), which ppm molar of 5000 mol ppm of Pr 3+ and 10000 Yb 3 + is doped or co-doped. The abscissa indicates the fluorescence intensity in relative units and the ordinate that
Anregungswellenlänge in nm. Aus Figur 6 wird die Verschiedenheit der Fluoreszenzintensität der 1,3 μm- Fluoreszenz von Pr3+ bei Anregung mit unterschiedlicher Wellenlänge ersichtlich. Anregung der Yb3+ Ionen mit 987.7 nm zeigt, daß die transferierte Energie zu einerExcitation wavelength in nm. FIG. 6 shows the difference in the fluorescence intensity of the 1.3 μm fluorescence of Pr 3+ when excited with different wavelengths. Excitation of the Yb 3+ ions with 987.7 nm shows that the transferred energy becomes a
1,3 μm-Fluoreszenz von Pr3+ führt, welche im Vergleich zu einer direkten Pr-Anregung bei 1025 nm eine mehr als doppelt so hohe Fluoreszenzintensität aufweist. Es zeigt sich somit ein höchst effektiver Energietransfer von 2F5/2 (Yb3+)nach 1G4 (Pr3+) .
Tabelle 2: Glaszusammensetzung mit Sb und Pb Zusatz.1.3 μm fluorescence from Pr 3+ leads, which has more than twice the fluorescence intensity compared to a direct Pr excitation at 1025 nm. It is thus found a highly effective energy transfer of 2 F 5/2 (Yb 3+) after 1 G 4 (Pr 3+). Table 2: Glass composition with Sb and Pb addition.
Bei allen Beispielen für die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung, ersichtlich beispielsweise aus den Tabellen, erkennt man, daß durch die Verwendung von Germaniumsulfid, in Verbindung mit Halogeniden, die Löslichkeit von Seltenerdkationen erhöht ist. Beispielsweise weisen Zusammensetzungen der FormIn all examples of the glass composition according to the invention, which can be seen, for example, from the tables, it can be seen that the use of germanium sulfide in conjunction with halides increases the solubility of rare earth cations. For example, compositions have the shape
Ge25 7P ]_ gdn+Yb^ 7S ]_ gC]_4 8 (s- Tabelle 2) Löslichkeiten von 10000 Mol-ppm Yb3+ und 5000 Mol-ppm Pr3+ auf. Noch höhere Löslichkeiten in der Größenordnung bis 20000 Mol-ppm sind aus Tabelle 5 ersichtlich.Ge 2 5 7P ] _ gdn + Yb ^ 7S ] _ gC] _ 4 8 ( s - Table 2) Solubilities of 10000 mol-ppm Yb 3+ and 5000 mol-ppm Pr 3+ . Table 5 shows even higher solubilities in the order of up to 20,000 mol ppm.
Figur 7 zeigt ein Dreiphasendiagramm für eine erfindungsgemäße Glaszusammensetzung, die als wesentliche Bestandteile Ga2S3, Sb2S3 und GeS2 enthält. Der Bereich 1 umfaßt den in der US-PS 5,392,376 offenbarten Stand der Technik für derartige Mischungen. Die erfindungsgemäße
Glaszusammensetzung umfaßt den Bereich 2, der durch die Punkte A, B, C und D gekennzeichnet ist.FIG. 7 shows a three-phase diagram for a glass composition according to the invention which contains Ga2S3, Sb2S3 and GeS2 as essential constituents. Area 1 includes the prior art disclosed in U.S. Patent 5,392,376 for such mixtures. The invention Glass composition comprises area 2, which is identified by points A, B, C and D.
Allen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung ist eine lange Fluoreszenzlebensdauer τeff bis 460 μs gemein. Ebenso ist die Phononenenergie der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung im allgemeinen sehr gering. So beträgt beispielsweise in Ge24 , l In7 , ls48 2I20 6 (s. Tabelle 1), dotiert mit 1000 Mol-ppm Pr3+, τeff 309 μs und die Phononenenergie 436 cm .All the exemplary embodiments of the glass composition according to the invention have in common a long fluorescence lifetime τ eff of up to 460 μs. Likewise, the phonon energy of the glass composition according to the invention is generally very low. For example, in Ge24, l In 7, l s 48 2 I 20 6 (see Table 1), doped with 1000 mol ppm Pr 3+ , τ eff 309 μs and the phonon energy is 436 cm.
Tabelle 3 : Glaszusammensetzung mit 2 verschiedenen Halogeniden.Table 3: Glass composition with 2 different halides.
Die Glaszusammensetzung Ge25 2pb 9 (In+Yb) 5 gS58 5 I8 9 (s. Tabelle 2) , dotiert mit 10000 Mol-ppm Yb und 5000 Mol-ppm Pr weist eine Lebensdauer τeff von 294 μs bei Anregung mit 980 nm, d. h. Anregung des Yb3+, auf, und eine Lebensdauer τeff von 376 μs bei einer direkten Anregung mit 1020 nm von Pr3+ .The glass composition Ge25 2 p b 9 (In + Yb) 5 gS58 5 I8 9 (see Table 2), doped with 10000 mol-ppm Yb and 5000 mol-ppm Pr, has a lifetime τ eff of 294 μs when excited with 980 nm , ie excitation of the Yb 3+ , and a lifetime τ eff of 376 μs with direct excitation with 1020 nm of Pr 3+ .
Die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung, charakterisiert durch einige Ausführungsbeispiele, weist ferner eine gute Temperaturstabilität auf, angegeben durch die Glasübergangstemperatur Tg. Darüberhinaus besitzt die
erfindungsgemäße Glaszusammensetzung eine sehr hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit .The glass composition according to the invention, characterized by a few exemplary embodiments, also has good temperature stability, indicated by the glass transition temperature T g . In addition, the glass composition according to the invention has a very high moisture resistance.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung erfolgt beispielsweise durch Schmelzen der Bestandteile in gereinigten, evakuierten Kieselglasampullen und deren anschließendem Abschrecken unter Luft oder in Eiswasser. Es werden Ausgangsstoffe in den jeweils höchsten kommerziell erhältlichen Reinheitsgraden eingesetzt. Gegebenenfalls werden die Ausgangsstoffe durch Sublimieren oderThe glass composition according to the invention is produced, for example, by melting the constituents in cleaned, evacuated silica glass ampoules and then quenching them in air or in ice water. Starting materials are used in the highest commercially available degrees of purity. If necessary, the starting materials by sublimation or
Destillieren weiter gereinigt. Die Ausgangsstoffe, insbesondere hochreines Germanium, Indium, Zinn, Erbium, Pr2S3, Yb2S3, Er2S3 und PbCl2, wurden von der Firma Chempur bezogen, GeBr4 , Sb und iod von der Firma Alfa, Johnson Matthey, aufgereinigter Schwefel von der Firma Vitron, InCl3 von Strem und SrS von der Firma Cerac.Distillation further cleaned. The starting materials, in particular high-purity germanium, indium, tin, erbium, Pr2S3, Yb2S3, Er2S3 and PbCl2, were obtained from Chempur, GeBr4, Sb and iodine from Alfa, Johnson Matthey, purified sulfur from Vitron, InCl3 from Strem and SrS from Cerac.
Die Herstellung von dünnen Glasfilmschichten aus den erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung erfolgt mittels des erfindungsgemäßen, neuen Verfahrens.Thin glass film layers are produced from the glass composition according to the invention by means of the new method according to the invention.
Bislang werden Dünnfilme von Glasschichten allgemein über Sol -Gel -Verfahren hergestellt, beispielsweise beschrieben in dem Buch von: R. W. Kahn, P. Hasen, E. J. Kramer (eds.J, Material Science and Technology, Glasses and Amorphous Materials, S. 112, VCH Weinheim, 1991.So far, thin films of glass layers have generally been produced using sol-gel processes, for example described in the book by: RW Kahn, P. Hasen, EJ Kramer (eds.J, Material Science and Technology, Glasses and Amorphous Materials, p. 112, VCH Weinheim, 1991.
Bei dem erfindungsgemäßen, neuen naßchemischen Verfahren können Substrate mit kolloidalen Lösungen hohen Feststoffanteiles beschichtet werden. Nach dem Schmelzprozeß und dem Abschrecken wird das Rohglas pulverisiert und in einem Lösungsmittel, vorzugsweise einem aliphatischen Amin, beispielsweise Propylamin, n-Butylamin oder Ethylendiamin kolloidal gelöst. Um ein schnelles Auflösen der Gläser in deren ionische Bestandteile zu vermeiden, muß das
Lösungsmittel gleichzeitig als Stabilisator für die Kolloide fungieren, was durch die verwendeten aliphatischen Amine gewährleistet ist. Die kolloidalen Lösungen in aliphatischen Aminen können mit geeigneter inerten Lösungsmitteln, beispielsweise Aceton, Ethanol, Propanole oder Acetonitril verdünnt werden. Weiterhin ist auch eine Herstellung kolloidaler Lösungen mit Lösungsmitteln möglich, die eine Mischung aus alphatischen Aminen und den inerten Lösungsmitteln sind. Die so erhaltenen kolloidalen Lösungen werden zur Herstellung von Praseodym-dotierten Chalkogenid- und Chalkohalogenidglasschichten mittels eines an sich bekannten Eintauch- oder AufSchleuderverfahrens auf ein Substrat, beispielsweise ITO (Indium-Zinn-Oxid), Kunststoffe oder andere geeignete Substrate, aufgetragen und anschließend durch thermische Nachbehandlung verdichtet.In the new wet chemical process according to the invention, substrates can be coated with colloidal solutions with a high solids content. After the melting process and quenching, the raw glass is pulverized and colloidally dissolved in a solvent, preferably an aliphatic amine, for example propylamine, n-butylamine or ethylenediamine. In order to avoid a quick dissolution of the glasses in their ionic components, the Solvents also act as stabilizers for the colloids, which is ensured by the aliphatic amines used. The colloidal solutions in aliphatic amines can be diluted with suitable inert solvents, for example acetone, ethanol, propanols or acetonitrile. Furthermore, it is also possible to prepare colloidal solutions using solvents which are a mixture of alphatic amines and the inert solvents. The colloidal solutions obtained in this way are used to produce praseodymium-doped chalcogenide and chalcohalide glass layers by means of a known immersion or spin-on process on a substrate, for example ITO (indium tin oxide), plastics or other suitable substrates, and then by thermal Aftertreatment compacted.
Diese Schichten werden anschließend durch an sich bekannte Prozesse, beispielsweise Ionenätzen oder UV-Belichtung auf einfache Weise lateral strukturiert.These layers are then laterally structured in a simple manner by processes known per se, for example ion etching or UV exposure.
Die Herstellung einer dünnen Schicht ist anhand eines Pr- dotierten As2S3-Glases beschrieben. Dies stellt selbstverständlich keine Beschränkung der Erfindung dar, vielmehr lassen sich mit diesem Verfahren ebenso dünne Schichten aus der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung herstellen. 0,1 g eines mit 300 Masse-ppm Pr-dotiertenThe production of a thin layer is described using a Pr-doped As2S3 glass. Of course, this does not represent a limitation of the invention, but rather thin layers can also be produced from the glass composition according to the invention with this method. 0.1 g of a Pr-doped with 300 mass ppm
AS2S3 -Glases werden in 1 ml Propylamin gelöst und 1 h bei 20° C gerührt. Nach Filtration über einen Filter mit einer mittleren Porengröße von 0,5 μm erhält man eine klare gelbe Lösung. Diese kann zur Herstellung von Beschichtungen auf Glassubstraten durch Dip-coating, Spin-coating oder Spray- coating eingesetzt werden. Die thermische Verdichtung erfolgt bei 130° C. Beispielsweise lassen sich aus der Beschichtungslösung durch 30 Sekunden langes Spin-coating bei 1000 U/min und anschließendem Verdichten bei 130° C
Schichten mit einer Dicke von 0,5 μm herstellen, an denen die 1,3 μm Fluoreszenz detektiert werden kann.AS2S3 glasses are dissolved in 1 ml propylamine and stirred at 20 ° C for 1 h. After filtration through a filter with an average pore size of 0.5 μm, a clear yellow solution is obtained. This can be used to produce coatings on glass substrates by dip coating, spin coating or spray coating. The thermal compression takes place at 130 ° C. For example, the coating solution can be spin-coated at 1000 rpm for 30 seconds and then compacted at 130 ° C. Produce layers with a thickness of 0.5 μm on which the 1.3 μm fluorescence can be detected.
Ebenso ist es natürlich möglich, aus den Rohgläsern in an sich bekannten Verfahren Fasern und Kabel herzustellen. Damit werden die erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung in Form von Faserlasern, Faserverstärkern, Glaslasern, planaren Wellenleiterlasern, planaren Wellenleiterverstärkern, etc. zur Anwendung gebracht .Likewise, it is of course possible to produce fibers and cables from the raw glasses in processes known per se. The glass composition according to the invention is thus used in the form of fiber lasers, fiber amplifiers, glass lasers, planar waveguide lasers, planar waveguide amplifiers, etc.
Tabelle 4: Variation des Chloridgehaltes in Atom% der Anionen.Table 4: Variation of the chloride content in atomic% of the anions.
Tabelle 5: Variation des Pr3+ Dotierungsgrades bei einer Ge-In-S-I Glaszusammensetzung.Table 5: Variation of the Pr 3+ doping level with a Ge-In-SI glass composition.
Tabelle 6: Ge-Sn-Ga-S-Hal-Glaszusammensetzung mit hoher Pr- Dotierung (Hai = Ii, Br) Table 6: Ge-Sn-Ga-S-Hal glass composition with high Pr doping (Hai = Ii, Br)
Tabelle 7: Pr34-dotierte Ge-Ga-Sb-S-GlaszusammensetzungTable 7: Pr 34 -doped Ge-Ga-Sb-S glass composition
Claims
1. Transparente Glaszusammensetzung mit einer Transmission im nahen bis fernen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums und einem Phononenspektrum niedriger Energie, die mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe, mindestens ein Element der vierten Hauptgruppe, mindestens ein Element der Halogenide und mindestens ein Element der Seltenerdmetalle als Dotierungszusatz sowie Schwefel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaszusammensetzung 7-35 Atom% Ge, 0,01-30 Atom% Sn, 0.001- 30 Atom% mindestens eines Elementes ausgewählt aus Pb, Sb, Bi, 0,01-20 Atom% In, 0,001-3 Atom% der Elemente der Seltenerdmetalle, 40-70 Atom% S sowie 0,01-20 Atom% eines Elementes der Halogenide enthält .1.Transparent glass composition with a transmission in the near to far infrared range of the electromagnetic spectrum and a phonon spectrum of low energy, the at least one element of the third main group, at least one element of the fourth main group, at least one element of the halides and at least one element of the rare earth metals as a doping additive and Sulfur, characterized in that the glass composition 7-35 atom% Ge, 0.01-30 atom% Sn, 0.001-30 atom% of at least one element selected from Pb, Sb, Bi, 0.01-20 atom% In, Contains 0.001-3 atom% of the elements of the rare earth metals, 40-70 atom% S and 0.01-20 atom% of an element of the halides.
2. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaszusammensetzung zusätzlich mindestens ein weiteres Element der vierten und/oder fünften Hauptgruppe enthält, dessen Sulfid eine dreidimensionale Festkörperstruktur, insbesondere eine tetragonale Festkörperstruktur, aufweist.2. Glass composition according to claim 1, characterized in that the glass composition additionally contains at least one further element of the fourth and / or fifth main group, the sulfide of which has a three-dimensional solid structure, in particular a tetragonal solid structure.
3. Glaszusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß 0,001-20 Atom% Ga enthalten sind.3. Glass composition according to claim 2, characterized in that 0.001-20 atom% Ga are contained.
4. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaszusammensetzung mindestens ein Element der Alkali- und/oder Erdalkalimetalle enthält.
4. Glass composition according to claim 1, characterized in that the glass composition contains at least one element of the alkali and / or alkaline earth metals.
5. Glaszusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Elemente der Alkali- und/oder Erdalkalimetalle jeweils mit bis zu 10 Atom% enthalten sind.5. Glass composition according to claim 4, characterized in that the element or elements of the alkali and / or alkaline earth metals are each contained with up to 10 atom%.
6. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 10 Atom% Sauerstoff enthalten sind.6. Glass composition according to claim 1, characterized in that up to 10 atom% of oxygen are contained.
7. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungszusatz mindestens ein Element der Seltenerdmetalle Pr, Yb, Er, Dy, Nd in Form seines dreiwertigen Kations enthalten ist.7. Glass composition according to claim 1, characterized in that at least one element of the rare earth elements Pr, Yb, Er, Dy, Nd is contained in the form of its trivalent cation as a doping additive.
8. Glaszusammensetzung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungszusatz Pr oder Dy oder Nd und zumindest ein weiteres Seltenerdelement ausgewählt aus Yb und Er als Co-dotierungszusatz enthalten ist.8. Glass composition according to claim 7, characterized in that Pr or Dy or Nd and at least one further rare earth element selected from Yb and Er is contained as a co-doping additive.
9. Glaszusammensetzung nach einem der vorhergehenden9. Glass composition according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieClaims, characterized in that the
Glaszusammensetzung eine mittlereGlass composition a medium
Glasübergangstemperatur (Tg) zwischen 200° C und 700°C besitzt .Glass transition temperature (Tg) between 200 ° C and 700 ° C.
10. Verfahren zur Herstellung einer transparenten Glaszusammensetzung mit einer Transmission im nahen bis fernen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums und einem Phononenspektrum niedriger Energie mit Bestandteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile als reine Elemente und/oder Halogenide und/oder Sulfide eingesetzt werden.10. A method for producing a transparent glass composition with a transmission in the near to far infrared range of the electromagnetic spectrum and a phonon spectrum of low energy with components according to one of claims 1 to 6, characterized in that the components as pure elements and / or halides and / or Sulfides are used.
11. Verfahren zur Herstellung einer transparenten Glaszusammensetzung mit einer Transmission im nahen bis
fernen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums und einem Phononenspektrum niedriger Energie mit Bestandteilen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile als reine Elemente und/oder Halogenide und/oder Oxide und/oder Sulfide eingesetzt werden.11. Process for producing a transparent glass composition with a transmission in the near to Far infrared range of the electromagnetic spectrum and a phonon spectrum of low energy with components according to claim 6, characterized in that the components are used as pure elements and / or halides and / or oxides and / or sulfides.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Seltenerdmetalle als Sulfide und/oder Halogenide und/oder Reinelemente eingesetzt werden.12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that the elements of the rare earth metals are used as sulfides and / or halides and / or pure elements.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile der Glaszusammensetzung innig gemischt und in einem Schmelzprozeß unter Luftausschluß miteinander reagieren.13. The method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the constituents of the glass composition are mixed intimately and react with one another in a melting process with the exclusion of air.
14. Verfahren zur Herstellung von transparenten Glasschichten mit einer Transmission im nahen bis fernen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums und einem Phononenspektrum niedriger Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Herstellung eines Rohglases die Glaszusammensetzung zu Pulverteilchen zerkleinert und in einem geeigneten Lösungsmittel aufgenommen wird.14. A method for producing transparent glass layers with a transmission in the near to far infrared region of the electromagnetic spectrum and a phonon spectrum of low energy according to one of claims 1 to 9, characterized in that after the production of a raw glass, the glass composition is crushed into powder particles and in a suitable Solvent is added.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung der Pulverteilchen kolloidal ist.15. The method according to claim 14, characterized in that the solution of the powder particles is colloidal.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel gleichzeitig als16. The method according to claim 14 or 15, characterized in that the solvent simultaneously as
Stabilisator für die kolloiddispersen Pulverteilchen wirkt.Stabilizer for the colloidally disperse powder particles acts.
17. Verfahren nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel aliphatische Amine verwendet werden.
17. The method according to claim 14, 15 or 16, characterized in that aliphatic amines are used as solvents.
18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat mit einer kolloidalen Lösung der Pulverteilchen beschichtet wird.18. The method according to claim 14, characterized in that a substrate is coated with a colloidal solution of the powder particles.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung des Substrates über Eintauch- und/oder AufSchleuder- und/oder Rakel- und/oder Sprühprozeß erfolgt.19. The method according to claim 18, characterized in that the coating of the substrate is carried out by immersion and / or spin-on and / or knife and / or spray process.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das beschichtete Substrat thermisch nachbehandelt wird.20. The method according to claim 18 or 19, characterized in that the coated substrate is thermally post-treated.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke mindestens 1 μm beträgt .21. The method according to any one of claims 18 to 21, characterized in that the layer thickness is at least 1 micron.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Substrat aufgebrachte Schicht lateral strukturiert wird.22. The method according to any one of claims 18 to 21, characterized in that the layer applied to the substrate is laterally structured.
23. Verwendung einer Glaszusammensetzung mit einer Transmission im nahen bis fernen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums und einem Phononenspektrum niedriger Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung von optischen Bauelementen, insbesondere Lichtquellen und optischen Verstärkern.
23. Use of a glass composition with a transmission in the near to far infrared range of the electromagnetic spectrum and a phonon spectrum of low energy according to one of claims 1 to 10 for the production of optical components, in particular light sources and optical amplifiers.
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