RU2777297C1 - Optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions - Google Patents
Optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2777297C1 RU2777297C1 RU2021129826A RU2021129826A RU2777297C1 RU 2777297 C1 RU2777297 C1 RU 2777297C1 RU 2021129826 A RU2021129826 A RU 2021129826A RU 2021129826 A RU2021129826 A RU 2021129826A RU 2777297 C1 RU2777297 C1 RU 2777297C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- aluminum
- optical
- alkali
- borate glass
- chromium ions
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical Effects 0.000 title claims abstract description 48
- 239000005385 borate glass Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 229910001430 chromium ion Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 30
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- ADCOVFLJGNWWNZ-UHFFFAOYSA-N Antimony trioxide Chemical compound O=[Sb]O[Sb]=O ADCOVFLJGNWWNZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 4
- QDOXWKRWXJOMAK-UHFFFAOYSA-N Chromium(III) oxide Chemical compound O=[Cr]O[Cr]=O QDOXWKRWXJOMAK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 4
- FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N Lithium oxide Chemical compound [Li+].[Li+].[O-2] FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N AI2O3 Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 2
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims abstract 2
- 229910017855 NH 4 F Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 abstract description 30
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 10
- 238000006862 quantum yield reaction Methods 0.000 abstract description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 7
- -1 potassium-lithium-aluminum-borate Chemical compound 0.000 abstract description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 abstract description 3
- LFVGISIMTYGQHF-UHFFFAOYSA-N Ammonium dihydrogen phosphate Chemical compound [NH4+].OP(O)([O-])=O LFVGISIMTYGQHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N Ammonium fluoride Chemical compound [NH4+].[F-] LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 25
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 19
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 13
- 239000011009 synthetic ruby Substances 0.000 description 13
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 12
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 10
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 8
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 8
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 7
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 6
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 6
- 229910010199 LiAl Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 4
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 4
- 229910018068 Li 2 O Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001748 luminescence spectrum Methods 0.000 description 3
- 229910003870 O—Li Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 2
- 239000010431 corundum Substances 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000005712 crystallization Effects 0.000 description 2
- 229910052839 forsterite Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000113 differential scanning calorimetry Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010979 ruby Substances 0.000 description 1
- 229910001750 ruby Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическому материаловедению и может быть использовано при создании твердотельных лазеров, включая волоконные лазеры, и люминесцентных оптических материалов.The invention relates to optical materials science and can be used to create solid-state lasers, including fiber lasers, and luminescent optical materials.
Известен один из наиболее распространенных и мощных импульсных лазеров - лазер на синтетическом монокристалле рубине (Al2O3:Cr3+). Кристалл рубина в таком лазере является активным элементом, генерирующими центрами которого являются ионы Cr3+ (Справочник по лазерам / под ред. А.М. Прохорова. В 2-х томах. Т.I. - М.: Сов. радио, 1978. - 504 с.). Недостатками этого оптического материала являются дороговизна и высокие требования к чистоте исходных реактивов, высокие температуры синтеза кристаллов - более 2000 градусов, трудоемкий и длительный процесс выращивания кристаллов, а также сложность их дальнейшей обработки из-за высокой твердости. Лазерные элементы на основе монокристалла (стержни, пластины) изготавливаются только методом шлифовки и полировки. Вытяжка лазерных волокон, а также использование технологий прессования и молирования для монокристаллов не возможны, вследствие нарушения стехиометрии кристалла при использовании таких технологий.One of the most common and powerful pulsed lasers is known - a laser based on a synthetic ruby single crystal (Al 2 O 3 :Cr 3+ ). A ruby crystal in such a laser is an active element, the generating centers of which are Cr 3+ ions (Handbook of lasers / edited by A.M. Prokhorov. In 2 volumes. T.I. - M .: Sov. radio, 1978 . - 504 p.). The disadvantages of this optical material are the high cost and high requirements for the purity of the starting reagents, high temperatures of crystal synthesis - more than 2000 degrees, the laborious and lengthy process of growing crystals, as well as the complexity of their further processing due to high hardness. Laser elements based on a single crystal (rods, plates) are made only by grinding and polishing. The drawing of laser fibers, as well as the use of pressing and milling technologies for single crystals, is not possible due to the violation of the crystal stoichiometry when using such technologies.
Известна оптическая стеклокерамика с ионами хрома системы SiO2- Al2O3-MgO-K2O, содержащая нанокристаллы форстерита с ионами Cr3+ и Cr4+(M. Yu. Sharonov, A.B. Bykov, S. Owen, V. Petricevic, and R.R. Alfano. Spectroscopic study of transparent forsterite nanocrystalline glass-ceramics doped with chromium // J. Opt. Soc. Am. B, V. 21, No. 11 (2004), P. 2046-2052). Недостатком данного материала является высокая температура синтеза (1600°С) и высокая температура стеклования (750-900°С), при которой происходит формирование и рост кристаллической фазы. Это усложняет изготовление стеклокерамики и увеличивает ее себестоимость. Недостатком является также то, что часть ионов хрома находится в четырехвалентном состоянии, что уменьшает интенсивность люминесценции в видимой области спектра. Недостатком является более узкий интервал прозрачности материала в видимой области спектра за счет того, что край фундаментальной полосы поглощения стеклокерамики лежит в спектральном интервале 500-600 нм.Known optical glass ceramics with chromium ions of the SiO 2 - Al 2 O 3 -MgO-K 2 O system containing forsterite nanocrystals with Cr 3+ and Cr 4+ ions (M. Yu. Sharonov, AB Bykov, S. Owen, V. Petricevic , and R.R. Alfano, Spectroscopic study of transparent forsterite nanocrystalline glass-ceramics doped with chromium, J. Opt. Soc. Am. B, V. 21, No. 11 (2004), P. 2046-2052. The disadvantage of this material is the high synthesis temperature (1600°C) and high glass transition temperature (750-900°C), at which the formation and growth of the crystalline phase occurs. This complicates the production of glass ceramics and increases its cost. Another disadvantage is that some of the chromium ions are in the tetravalent state, which reduces the luminescence intensity in the visible region of the spectrum. The disadvantage is a narrower range of transparency of the material in the visible region of the spectrum due to the fact that the edge of the fundamental absorption band of glass ceramics lies in the spectral range of 500-600 nm.
Известна оптическая наностеклокерамика с ионами хрома, выбранная в качестве прототипа (патент RU №2658109, МПК G02B 1/02, дата приоритета 07.04.2017, дата публикации 19.06.2018). Данная оптическая наностеклокерамика с ионами хрома относится к литий-калий-алюмоборатной системе с ионами трехвалентного хрома и имеет следующий состав (мол.%): Li2O 0-15,0; Al2O3 20,0-30,0; K2O 10,0-20,0; B2O3 40,0-60,0; Sb2O3 0-6,0; Cr2O3 0,05-0,2. Недостатками этого оптического материала является его низкий уровень прозрачности в видимом диапазоне спектра, маленький квантовый выход и короткие времена жизни люминесценции.Known optical nanoglass ceramics with chromium ions, selected as a prototype (patent RU No. 2658109, IPC
Решается задача увеличения квантового выхода и времени жизни люминесценции материала, а также увеличения прозрачности в видимой области спектра оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики с ионами хрома.The problem of increasing the quantum yield and lifetime of the luminescence of the material, as well as increasing the transparency in the visible region of the spectrum of optical alkali-aluminum-borate glass-ceramics with chromium ions is being solved.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что оптическая щелочно-алюмо-боратная стеклокерамика относится к калий-литий-алюмо-боратной системе с ионами трехвалентного хрома и имеет следующий состав (мол.%): Li2O 0-25; Al2O3 5-35; K2O 0-20; B2O3 30-90; Sb2O3 0-6; Cr2O3 0,005-0,4; NH4F 0-5; NH4F⋅HF 0-5,5; NH4H2PO4 0-10.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the optical alkali-aluminum-borate glass ceramics refers to the potassium-lithium-aluminum-borate system with trivalent chromium ions and has the following composition (mol.%): Li 2 O 0-25; Al 2 O 3 5-35; K 2 O 0-20; B 2 O 3 30-90; Sb 2 O 3 0-6; Cr 2 O 3 0.005-0.4; NH 4 F 0-5; NH 4 F⋅HF 0-5.5; NH4H2PO4 0-10 .
Наши эксперименты показали, что в оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамике системы K2O-Li2O-Al2O3-B2O3 ионы хрома находятся в трехвалентном состоянии и входят в состав нанокристаллов LiAl7B4O17:Cr3+. Данная оптическая щелочно-алюмо-боратная стеклокерамика синтезируется при температуре 1300-1400°С, а формирование и рост нанокристаллов LiAl7B4O17:Cr3+ происходит в процессе двухстадийной термической обработки: первичной, при температуре 400-450°С в течение 1-10 часов и вторичной, при температуре 580-700°С в течение 10-600 минут.Our experiments have shown that in optical alkali-aluminum-borate glass ceramics of the K 2 O-Li 2 O-Al 2 O 3 -B 2 O 3 system, chromium ions are in the trivalent state and are part of LiAl 7 B 4 O 17 :Cr nanocrystals 3+ . This optical alkali-aluminum-borate glass-ceramic is synthesized at a temperature of 1300-1400°C, and the formation and growth of LiAl 7 B 4 O 17 :Cr 3+ nanocrystals occurs in the process of two-stage heat treatment: primary, at a temperature of 400-450°C for 1-10 hours and secondary, at a temperature of 580-700°C for 10-600 minutes.
Достоинствами предлагаемой оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики являются высокий квантовый выход и время жизни люминесценции по сравнению с прототипом. Достоинством также является более высокий уровень прозрачности в видимой области спектра в сравнении с прототипом.The advantages of the proposed optical alkali-aluminum-borate glass ceramics are high quantum yield and luminescence lifetime in comparison with the prototype. The advantage is also a higher level of transparency in the visible region of the spectrum in comparison with the prototype.
Совокупность признаков, изложенных формуле, характеризует оптическую щелочно-алюмо-боратную стеклокерамику с ионами хрома системы K2O- Li2O-Al2O3-B2O3.The set of features set forth in the formula characterizes optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions of the K 2 O-Li 2 O-Al 2 O 3 -B 2 O 3 system.
Изобретение иллюстрируется следующими фигурами, где на:The invention is illustrated by the following figures, where:
фиг. 1 показана фотография оптического щелочно-алюмо-боратного стекла,fig. one shown photograph of optical alkali-aluminum-borate glass,
фиг. 2 показаны фотографии оптического щелочно-алюмо-боратного стекла с содержанием Cr2O3 до термических обработок (а), после первичной и вторичной термической обработки (б), а также монокристалл синтетического рубина (в),fig. 2 shows photographs of optical alkali-aluminum-borate glass containing Cr 2 O 3 before heat treatments (a), after primary and secondary heat treatment (b), as well as a single crystal of synthetic ruby (c),
фиг. 3 показаны фотография люминесценции оптического щелочно-алюмо-боратного стекла с содержанием Cr2O3 до термических обработок (а) и оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики с ионами хрома после первичной и вторичной термической обработки (б), а также фотография люминесценции монокристалла синтетического рубина (в). Длина волны возбуждения люминесценции 365 нм,fig. Figure 3 shows a photograph of the luminescence of optical alkali-aluminum-borate glass containing Cr 2 O 3 before heat treatments (a) and optical alkali-aluminum-borate glass-ceramics with chromium ions after primary and secondary heat treatment (b), as well as a photograph of the luminescence of a single crystal of synthetic ruby (c). Luminescence excitation wavelength 365 nm,
фиг. 4 показаны показаны спектры коэффициента поглощения прототипа (а) и оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики с ионами хрома после двухстадийной термической обработки (б),fig. 4 shows the spectra of the absorption coefficient of the prototype (a) and optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions after two-stage heat treatment (b),
фиг. 5 показаны спектры люминесценции прототипа (а) и оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики с ионами хрома после двухстадийной термической обработки (б), а также спектр люминесценции монокристалла синтетического рубина (в). Длина волны возбуждения люминесценции 532 нм,fig. Figure 5 shows the luminescence spectra of the prototype (a) and optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions after two-stage heat treatment (b), as well as the luminescence spectrum of a synthetic ruby single crystal (c). Luminescence excitation wavelength 532 nm,
фиг. 6 показаны кривые затухания люминесценции на длине волны 700 нм прототипа (а) и оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики с ионами хрома после двухстадийной термической обработки (б), а также кривая затухания люминесценции монокристалла синтетического рубина на длине волны 694 нм (в). Длина волны возбуждения люминесценции 532 нм.fig. Figure 6 shows the luminescence decay curves at a wavelength of 700 nm of the prototype (a) and optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions after two-stage heat treatment (b), as well as the luminescence decay curve of a synthetic ruby single crystal at a wavelength of 694 nm (c). The luminescence excitation wavelength is 532 nm.
Сущность изобретения раскрывается на примере, который не должен рассматриваться экспертом как ограничивающий притязания изобретения.The essence of the invention is revealed by an example, which should not be considered by the expert as limiting the claims of the invention.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.Information confirming the possibility of carrying out the invention.
Пример 1Example 1
Для реализации изобретения синтезируют оптическую щелочно-алюмо-боратную стеклокерамику с ионами хрома, на основе стекла калий-литий-алюмо-боратной системы, следующего состава (мол.%): Li2O 17,5; Al2O3 25; K2O 7,5; B2O3 50; Sb2O3 1; Cr2O3 0,1.To implement the invention, optical alkali-aluminum-borate glass-ceramic with chromium ions is synthesized, based on glass of the potassium-lithium-aluminum-borate system, of the following composition (mol.%): Li 2 O 17.5; Al 2 O 3 25; K 2 O 7.5; B2O3 50 ; Sb 2 O 3 1; Cr 2 O 3 0.1.
Для синтеза исходного стекла используют реактивы класса Ч, ЧДА, ХЧ и ОСЧ. Для создания восстановительных условий при синтезе в состав шихты вводят NH4F⋅HF с концентрацией 3,3 мол. %. Плавление шихты осуществляют при температуре 1300-1400°С в воздушной атмосфере, с перемешиванием расплава платиново-родиевой мешалкой. Синтез производят в корундовых тиглях. При проведении синтеза используют лабораторные высокотемпературные печи фирмы Gero с отливкой в металлические формы и кварцевые или корундовые тигли. После синтеза проводят отжиг стекла в муфельной печи от 400°С до комнатной температуры.For the synthesis of the original glass, reagents of the class ChDA, ChDA, chemical purity and high purity are used. To create reducing conditions during synthesis, NH 4 F⋅HF with a concentration of 3.3 mol. %. The melting of the mixture is carried out at a temperature of 1300-1400°C in an air atmosphere, with stirring the melt with a platinum-rhodium stirrer. Synthesis is carried out in corundum crucibles. When carrying out the synthesis, Gero laboratory high-temperature furnaces with casting in metal molds and quartz or corundum crucibles are used. After synthesis, the glass is annealed in a muffle furnace from 400°C to room temperature.
Фотография синтезированного оптического щелочно-алюмо-боратного стекла показана на фиг. 1. Сразу после синтеза щелочно-алюмо-боратное стекло оптически прозрачное и имеет насыщенную зеленую окраску. Для формирования в стекле нанокристаллов LiAl7B4O17:Cr3+ проводят первичную и вторичную термические обработки. Температуры термических обработок определяют с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии синтезированного оптического щелочно-алюмо-боратного стекла. Для обнаружения оптимальных параметров термообработки определяют температуру стеклования и пика кристаллизации некоторых составов при помощи дифференциального сканирующего калориметра STA 449F1 Jupiter фирмы Netzsch с точностью ±10°С. Измельченное в порошок стекло массой 20-50 мг помещают в платиновый тигель и сканируют в интервале температур 30-700°C со скоростью 10°C/мин. Режим первичной термической обработки, соответствующий области стеклования синтезированного оптического щелочно-алюмо-боратного стекла, состоит из нагрева образца до 400-450°С и выдержки его в течение 1-10 часов при заданной температуре. Режим вторичной термической обработки, соответствующий области кристаллизации синтезированного оптического щелочно-алюмо-боратного стекла, состоит из нагрева до 580-700°С ранее термически обработанного образца и выдержки его при заданной температуре в течение 10-600 минут. Длительность термообработки была определена экспериментальным путем. Первичная и вторичная термическая обработка производится в муфельных печах фирмы Nabertherm с программным управлением при температурах выше температуры стеклования составов. На фиг. 2 показаны фотографии оптического щелочно-алюмо-боратного стекла с содержанием Cr2O3 до термических обработок (а), после первичной и вторичной термической обработки (б), а также монокристалл синтетического рубина (в). Из фиг. 2 видно, что после двухстадийной термической обработки в оптическом щелочно-алюмо-боратном стекле с содержанием Cr2O3 формируются нанокристаллы LiAl7B4O17:Cr3+, оптическое щелочно-алюмо-боратное стекло становится оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамикой и приобретает красный цвет, характерный для ионов Cr3+ в кристаллической матрице. На фиг. 3 показаны: фотография люминесценции оптического щелочно-алюмо-боратного стекла с содержанием Cr2O3 до термических обработок (а) и оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики с ионами хрома после первичной и вторичной термической обработки (б), а также фотография люминесценции монокристалла синтетического рубина (в). Длина волны возбуждения люминесценции 365 нм. Из фиг. 3 видно, что оптическая щелочно-алюмо-боратная стеклокерамика с ионами хрома после двухстадийной термической обработки демонстрирует достаточно интенсивную люминесценцию, схожую с люминесценцией монокристалла синтетического рубина, при облучении ультрафиолетовым излучением, тогда как оптическое щелочно-алюмо-боратное стекло с содержанием Cr2O3 до термических обработок не люминесцирует. На фиг. 4 показаны: спектры коэффициента поглощения прототипа (а) и оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики с ионами хрома после двухстадийной термической обработки (б). Регистрация спектров поглощения исходных и прошедших термическую обработку образцов производится при комнатной температуре с помощью двухлучевого спектрофотометра Lambda 650 (Perkin Elmer) в диапазоне длин волн 300-800 нм с шагом 1 нм. Из фиг. 4 видно, что в спектре коэффициента поглощения оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики с ионами хрома присутствуют две полосы поглощения, характерные для ионов Cr3+ в кристаллическом окружении. Спектральные измерения показали, что край фундаментальной полосы поглощения синтезированной щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики лежит в спектральном интервале 250-380 нм. Видно, что уровень поглощения прототипа в полтора раза больше, чем у оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики после двухстадийной обработки. На фиг. 5 показаны: спектры люминесценции прототипа (а) и оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики с ионами хрома после двухстадийной термической обработки (б), а также спектр люминесценции монокристалла синтетического рубина (в). Длина волны возбуждения люминесценции 532 нм. Спектры люминесценции регистрировались на люминесцентном спектрофлуориметре LS 55 (Perkin Elmer). Из фиг. 5 видно, что спектры люминесценции оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики с ионами хрома (а, б) располагаются в той же спектральной области, что и спектр люминесценции монокристалла синтетического рубина, что говорит о кристаллическом окружении ионов Cr3+. Интенсивность люминесценции нормирована на значение квантового выхода: для монокристалла синтетического рубина квантовый выход составляет 90%, для оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики с ионами хрома после двухстадийной термической обработки квантовый выход составляет 50%, а для прототипа - 40%. Видно, что интенсивность люминесценции и квантовый выход оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики с ионами хрома после двухстадийной термической обработки выше, чем у прототипа. На фиг. 6 показаны: кривые затухания люминесценции на длине волны 700 нм прототипа (а) и оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики с ионами хрома после двухстадийной термической обработки (б), а также кривая затухания люминесценции монокристалла синтетического рубина на длине волны 694 нм (в). Длина волны возбуждения люминесценции 532 нм. Кривые затухания регистрировались с помощью SpectraPro 300i монохроматора (Princeton Instruments), детектора видимого излучения на кремниевой основе и Infiniium 4-Channel Oscilloscope осциллографа (Agilent). На основе этих кривых затухания можно рассчитать, что время жизни люминесценции монокристалла синтетического рубина составляет порядка 3,3 мс, время жизни люминесценции оптической щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики с ионами хрома после двухстадийной термической обработки составляет 7,5 мс, а для прототипа - 5,3 мс.A photograph of the synthesized optical alkali-aluminum-borate glass is shown in Fig. 1. Immediately after synthesis, alkali-aluminum-borate glass is optically transparent and has a rich green color. For the formation of LiAl nanocrystals in glass7BfourO17:Cr3+carry out primary and secondary heat treatments. Heat treatment temperatures are determined using differential scanning calorimetry of the synthesized optical alkali-aluminum-borate glass. To find the optimal heat treatment parameters, the glass transition temperature and crystallization peak temperature of some compositions are determined using a Netzsch STA 449F1 Jupiter differential scanning calorimeter with an accuracy of ±10°C. Powdered glass weighing 20–50 mg is placed in a platinum crucible and scanned in the temperature range of 30–700°C at a rate of 10°C/min. The mode of primary heat treatment, corresponding to the glass transition region of the synthesized optical alkali-aluminum-borate glass, consists of heating the sample to 400-450°C and holding it for 1-10 hours at a given temperature. The secondary heat treatment mode, corresponding to the crystallization region of the synthesized optical alkali-aluminum-borate glass, consists of heating the previously heat-treated sample to 580-700°C and holding it at a given temperature for 10-600 minutes. The duration of heat treatment was determined experimentally. Primary and secondary heat treatment is carried out in program-controlled Nabertherm muffle furnaces at temperatures above the glass transition temperature of the compositions. In FIG. 2 shows photographs of optical alkali-aluminum-borate glass with Cr content2O3 before heat treatment (a), after primary and secondary heat treatment (b), as well as a single crystal of synthetic ruby (c). From FIG. 2 shows that after two-stage heat treatment in optical alkali-aluminum-borate glass with Cr content2O3 LiAl nanocrystals are formed7BfourO17:Cr3+, optical alkali-aluminum-borate glass becomes optical alkali-aluminum-borate glass-ceramic and acquires a red color characteristic of Cr ions3+ in a crystalline matrix. In FIG. 3 shows: luminescence photograph of optical alkali-aluminum-borate glass with Cr content2O3 before heat treatments (a) and optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions after primary and secondary heat treatment (b), as well as a photograph of the luminescence of a synthetic ruby single crystal (c). The luminescence excitation wavelength is 365 nm. From FIG. It can be seen from Fig. 3 that the optical alkali-aluminum-borate glass-ceramic with chromium ions after two-stage heat treatment demonstrates a fairly intense luminescence, similar to the luminescence of a single crystal of synthetic ruby, when irradiated with ultraviolet radiation, while optical alkali-aluminum-borate glass with a Cr content2O3 before heat treatments does not luminesce. In FIG. four shown: spectra of the absorption coefficient of the prototype (a) and optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions after two-stage heat treatment (b).Registration of the absorption spectra of the original and heat-treated samples is carried out at room temperature using a two-beam spectrophotometer Lambda 650 (Perkin Elmer) in the wavelength range of 300-800 nm with a step of 1 nm. From FIG. 4 is seen that in the absorption coefficient spectrum of optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions there are two absorption bands characteristic of Cr ions3+ in a crystalline environment. Spectral measurements have shown that the edge of the fundamental absorption band of the synthesized alkali-aluminum-borate glass-ceramic lies in the spectral range of 250–380 nm. It can be seen that the absorption level of the prototype is one and a half times greater than that of optical alkali-aluminum-borate glass-ceramics after two-stage processing. In FIG. Figure 5 shows: luminescence spectra of the prototype (a) and optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions after two-stage heat treatment (b), as well as the luminescence spectrum of a synthetic ruby single crystal (c). The luminescence excitation wavelength is 532 nm. Luminescence spectra were recorded on an LS 55 luminescent spectrofluorimeter (Perkin Elmer). From FIG. Figure 5 shows that the luminescence spectra of optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions (a, b) are located in the same spectral region as the luminescence spectrum of a single crystal of synthetic ruby, which indicates the crystalline environment of Cr ions3+. The luminescence intensity is normalized to the value of the quantum yield: for a single crystal of synthetic ruby, the quantum yield is 90%, for optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions after two-stage heat treatment, the quantum yield is 50%, and for the prototype - 40%. It can be seen that the luminescence intensity and quantum yield of optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions after two-stage heat treatment is higher than that of the prototype. In FIG. Figure 6 shows: luminescence decay curves at a wavelength of 700 nm of the prototype (a) and optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions after two-stage heat treatment (b), as well as the luminescence decay curve of a synthetic ruby single crystal at a wavelength of 694 nm (c) . The luminescence excitation wavelength is 532 nm. Decay curves were recorded using a SpectraPro 300i monochromator (Princeton Instruments), a silicon-based visible light detector, and an Infiniium 4-Channel Oscilloscope oscilloscope (Agilent). Based on these decay curves, it can be calculated that the luminescence lifetime of a single crystal of synthetic ruby is about 3.3 ms, the luminescence lifetime of optical alkali-aluminum-borate glass-ceramics with chromium ions after two-stage heat treatment is 7.5 ms, and for the prototype - 5 .3 ms.
Таким образом, формирование нанокристаллов с ионами хрома в стекле проводится в два этапа, по сравнению с прототипом. Это увеличивает значения квантового выхода и времени жизни люминесценции стеклокерамики с ионами хрома, а также повышает уровень прозрачности синтезированной щелочно-алюмо-боратной стеклокерамики в видимой области спектра в сравнении с прототипом.Thus, the formation of nanocrystals with chromium ions in glass is carried out in two stages, compared with the prototype. This increases the quantum yield and lifetime of the luminescence of glass ceramics with chromium ions, and also increases the level of transparency of the synthesized alkali-aluminum-borate glass ceramics in the visible region of the spectrum in comparison with the prototype.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2777297C1 true RU2777297C1 (en) | 2022-08-02 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TW499403B (en) * | 1999-08-21 | 2002-08-21 | Schott Glas | Alkali-free aluminoborosilicate glass |
CN103803804A (en) * | 2012-11-14 | 2014-05-21 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | Nano glass ceramic up-conversion luminescent material and preparation method thereof |
RU2579056C1 (en) * | 2014-12-30 | 2016-03-27 | Учреждение образования "Белорусский государственный технологический университет" | Luminescent nano-glass-ceramic |
RU2658109C1 (en) * | 2017-04-07 | 2018-06-19 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Optical nanoglassceramics with chromium ions |
CN112939582A (en) * | 2021-02-05 | 2021-06-11 | 福建华清电子材料科技有限公司 | Zirconia-doped alumina ceramic and preparation method thereof |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TW499403B (en) * | 1999-08-21 | 2002-08-21 | Schott Glas | Alkali-free aluminoborosilicate glass |
CN103803804A (en) * | 2012-11-14 | 2014-05-21 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | Nano glass ceramic up-conversion luminescent material and preparation method thereof |
RU2579056C1 (en) * | 2014-12-30 | 2016-03-27 | Учреждение образования "Белорусский государственный технологический университет" | Luminescent nano-glass-ceramic |
RU2658109C1 (en) * | 2017-04-07 | 2018-06-19 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Optical nanoglassceramics with chromium ions |
CN112939582A (en) * | 2021-02-05 | 2021-06-11 | 福建华清电子材料科技有限公司 | Zirconia-doped alumina ceramic and preparation method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0640571B1 (en) | A wavelength up-conversion glass ceramic and a process for the production thereof | |
Qiao et al. | Luminescence behavior of Er3+ ions in glass–ceramics containing CaF2 nanocrystals | |
US6204211B1 (en) | Luminous glass ceramics | |
US6632758B2 (en) | Transparent gallate glass-ceramics | |
RU2579056C1 (en) | Luminescent nano-glass-ceramic | |
KR20000062413A (en) | Transparent oxyfluoride glass-ceramic composition and process for making | |
Manzani et al. | Phosphotellurite glass and glass-ceramics with high TeO 2 contents: thermal, structural and optical properties | |
Lisiecki et al. | Er3+, Yb3+-doped oxyfluorotellurite glasses—Impact of temperature on spectroscopic properties and optical sensor qualities | |
Kaur et al. | Thermal, optical and structural properties of Dy3+ doped sodium aluminophosphate glasses | |
JPS6117441A (en) | Mulite glass ceramic containing zno | |
RU2777297C1 (en) | Optical alkali-aluminum-borate glass ceramics with chromium ions | |
JP4287119B2 (en) | Glass ceramic and method for producing the same | |
Marzouk et al. | Luminescent, semiconducting, thermal, and structural performance of Ho 3+-doped lithium borate glasses with CaF 2 or MgF 2 | |
RU2494981C1 (en) | Glass-crystalline material | |
Sen et al. | Optical, structural and luminescence properties of oxyfluoride phosphate glasses and glass-ceramics doped with Yb3+ | |
RU2658109C1 (en) | Optical nanoglassceramics with chromium ions | |
RU2616648C1 (en) | Method for production of glass-ceramic material with rare earth elements niobates nanoscale crystals | |
RU2774637C1 (en) | Luminescent alkaline-germanate ceramics with tetravalent manganese ions | |
RU2412917C1 (en) | Glass with lead selenide nanocrystals for near infrared antireflection filters | |
Bykov et al. | Synthesis and characterization of Cr4+-doped CaO–GeO2–Li2O–B2O3 (Al2O3) transparent glass-ceramics | |
JP7339667B2 (en) | Crystallized glass and its manufacturing method | |
Rho et al. | Photoluminescence Properties of Nano-Sized BaO–TiO2–SiO2 System-Based Glass-Ceramics Doped with Er2O3 and Eu2O3 | |
RU2756886C1 (en) | Luminescent glass-crystal material | |
Batygov et al. | Crystallization Behavior and Spectroscopic Properties of Erbium-Doped Chlorine-Substituted Fluorozirconate Glasses | |
Ignatieva et al. | Thermal Behavior and Photoluminescence Properties of Glassy Objects in the System of BaZrF6-NaPO3-EuF3 |