Лазерное фосфатное стекло

Лазерное фосфатное стекло

Реферат

Изобретение относится к материалам для лазеров, в частности к составам лазерных фосфатных стекол.

В качестве активного материала лазера широко используется стекло на основе оксида и соединений фосфора, поскольку отличительной особенностью фосфатных лазерных стекол является высокая величина сечения генерационного перехода, что обеспечивает их максимальные генерационные параметры. Кроме того, в фосфатной системе легко получить атермальные стекла.

Однако указанные достоинства фосфатных лазерных стекол с трудом совмещаются с высокими эксплуатационными характеристиками: теплопроводностью, термостойкостью, химической устойчивостью. Например, стекло по авт. свид. СССР №355916 кл. H 01 S 3/17 1979 г., содержащее в мас.%: P₂O₅ 49-65, Al₂О₃ 2-9, В₂О₃ 1,6-10, оксид щелочного металла из группы Li₂O, Na₂O, K₂O 0,9-9,5, оксиды редкоземельных элементов, в частности Nd₂O₃, СеО₂ 0,5-7,5, оксид металлов второй группы, выбранный из группы оксидов бария, стронция, магния, кальция и кадмия - остальное.

Промышленностью выпускалось аналогичное указанному стекло марки ГЛС32 (ОСТ 3-30-77 «Стекло оптическое ГЛС. Технические условия.). Стекло относится к классу атермальных и обладает высокими генерационными характеристиками, однако оно недостаточно термически и химически устойчиво, что требует специальной защиты активных элементов.

Ближайшим по составу к предлагаемому является алюмо-боро-фосфатное стекло для высокоэнергетических лазеров по пат. США №5.526.369 кл.370-40 1996 г., содержащее в мол.%: P₂O₅ 50-75, Al₂О₃>0-10, В₂О₃ 0-10 (может частично замещаться на Y₂О₃), К₂О>0-30, группа щелочных оксидов Li₂O, Na₂O, Rb₂O, Cs₂O 0-20, MgO 0-30, CaO 0-30, а сумма MgO и CaO>0-30, группа BeO, SrO, BaO, ZnO и PbO в сумме 0-20, оксиды редкоземельных элементов 0,01-8, из них Nd₂O₃ 0,1-5, СеО₂ 0,1-1,5.

В описании патента не приводятся данные по химической устойчивости, термооптической постоянной и термостойкости этих стекол. Однако, расчет аддитивным методом [1, 2] термостойкости и термооптической постоянной W_1,06 конкретных примеров стекол по патенту показал, что их термическая устойчивость мала, а величина термооптической постоянной W часто выходит за пределы, ограничивающие класс атермальных лазерных стекол (-5.10^-7 К^-1<W_1,06<10.10^-7 K^-1), что существенно сужает круг их применения. Например, такие стекла нельзя использовать в лазерах, работающих в частотных режимах (мала мощность накачки, при которой происходит термическое разрушение активного элемента), а также в лазерах с малой угловой расходимостью излучения (что обеспечивается атермальными стеклами). По набору входящих компонентов и их соотношению в большинстве приведенных в прототипе составов можно предположить, что химическая устойчивость эти стекол невысока.

Задачей изобретения является создание технологичного атермального лазерного фосфатного стекла с повышенной термостойкостью и предельной мощностью накачки.

Задача решается тем, что в лазерном фосфатном стекле, содержащем, как и прототип, P₂O₅, Al₂О₃, В₂О₃, К₂O, Na₂O, MgO, CaO, SrO, BaO, Nd₂O₃, CeO₂, указанные оксиды содержатся, мас.%:

Р2O5	52-66
Al2O3	3-6
В2O3	0,3-3,3
К2О	3-8
Na2O	1,5-5,5
MgO	0,2-2,1
CaO	0,1-3
SrO	2-17
BaO	0,5-21
Nd2O3	0,5-6
CeO2	0,1-1,5

и дополнительно введены SiO₂ и Nb₂О₅ в соотношении:

SiO2	0,5-3
Nb2O5	1,5-9

Введение в стекло в качестве модификаторов SiO₂ и Nb₂O₅ с указанным процентным содержанием повышает термостойкость стекла, а также улучшает ряд его технологических и эксплуатационных свойств, в частности, химическую устойчивость и кристаллизационную способность.

Конкретные составы синтезированных стекол приведены в таблице 1, составы стекол из патента-прототипа - в таблице 2, а свойства стекол из табл.1 и 2 (измеренные и рассчитанные по [1, 2]) приведены в таблице 3.

Стекла были сварены в платиновом тигле из материалов высокой степени чистоты: метафосфатов алюминия, бора, щелочных и щелочноземельных элементов, кремнезема, оксидов неодима, церия и ниобия. Кристаллизации стекол не наблюдалось за 80 часов в температурном интервале от 450°С до 1000°С.

Таблица 1
Примеры составов стекол по заявке
Компоненты	Массовые %	Молекулярные %
№1	№2	№3	№4	пределы	№1	№2	№3	№4	пределы
Р2O5	52,2	60,36	65,31	55,87	52-66	48,39	51,08	55,69	49,50	48-56
Al2O3	3,09	3,63	5,79	3,61	3-6	3,99	4,27	6,87	4,45	3,9-7
В2О3	1,32	3,22	0,33	0,33	0,3-3,3	2,	5,56	0,57	0,59	0,5-6
К2O	6,15	7,82	3,19	6,78	3-8	8,58	9,96	4,1	3,995	4-10
Na2O	1,82	1,52	5,17	2,13	1,5-5,5	3,87	2,94	10,1	4,33	2,8-10,2
SrO	2,11	3,50	8,44	16,71	2-17	2,68	4,06	9,86	20,28	2,8-20,5
CaO	0,14	0,23	2,77	0,28	0.1-3	0,33	0,48	5,38	0,63	0,3-6,0
MgO	0,26	2,10	0,11	0,27	0,2-2,1	0,87	6,25	0,34	0,84	0,3-6,5
BaO	20,5	11,42	5,19	0,52	0,5-21	17,59	8,94	4,09	0,43	0,4-18
Nb2O5	8,8	1,5	1,5	4,8	1,5-9	4,36	0,67	0,68	2,28	0,6-4,5
SiO2	3,0	2,2	0,5	2,5	0,5-3	6,56	4,39	1,00	5,23	1-7
Nd2O3	0,5	1.0	1,4	6,0	0,5-6	0,2	0,36	0,51	2,24	0,2-2,3
CeO2	0,1	1,5	0,3	0,2	0,1-1,5	0,08	1,04	0,21	0,15	0,05-1,1

Таблица 2
Примеры составов стекол по прототипу
Компоненты стекла	Массовые %	Молекулярные %
№11	№28	№3	№37	№11	№28	№3	№37
Р2O5	52,58	51,14	60,19	71,96	51,0	47,0	59,0	65,0
М2О3	5,92	6,25	5,86	3,16	8,0	8,0	8,0	4,0
В2O3		6,41				12,0
К2О	13,0	10,83	10,16	15,30	19,0	15,0	15,0	21,0
MgO				2,18				7,0
ВаО	21,16	17,63	16,53		19,0	15,0	15,0
Nb2O5				0,2				0,1
Nd2O3	7,34	7,74	7,26	7,81	3,0	3,0	3,0	3,0
Таблица 3
Свойства стекол по заявке, прототипу и аналогу
Свойства стекол	Стекла по заявке	Стекла по прототипу	Аналог
	№1	№2	№3	№4	№11	№28	№3	№37	ГЛС32
Термооптическая постоянная W1.06. 107, K-l	10	7,5	3	9	-14	5	-9	-24	4,5
Коэффициент термического линейного расширения α. 107, К-1	107	110	115	109106*	137	113	124	129	103
Коэффициент теплопроводности λ, Вт/м/К	0,65	0,62	0,64	0,58	0,49	0,54	0,55	0,52	0,50
Термостойкость AT, °C	63*	60*	62*	60*					42*
	55	51	53	51	22	21	45	54	40
Предельная накачка Рпр, кВт (АЭ ⊘8×100 мм)	0,9*	0,8*	0,85*	0,8*	-	-	-	-	0,4*
*) экспериментальные величины

Как видно из таблицы 3, расчетные величины термостойкости стекол по заявке превышают термостойкость стекла-аналога на 30% и превышают термостойкость стекол по прототипу до 2,5 раз. Это подтверждается экспериментальными результатами. Термостойкость образцов 010×30 мм стекол по заявке, измеренная методом термоудара, составляет не менее 60°С, что в 1,5 раза выше, чем у промышленного стекла ГЛС32.

С термостойкостью стекла связана величина предельной мощности накачки, которую выдерживает без разрушения активный элемент при работе лазера в частотном режиме. Предельная мощность накачки активных элементов ⊘8×100 мм из заявляемых стекол составляет от 0,8 до 0,9 кВт по сравнению с предельной мощностью 0,4 кВт для активных элементов из стекла ГЛС32.

Химическая устойчивость стекол по заявке на два класса выше химической устойчивости стекла-аналога ГЛС32 (класс Б 1 и класс Г 1 соответственно).

Литература

1. О.С.Щавелев, В.А.Бабкина. Система расчета оптических и термооптических свойств фосфатных стекол по их химическому составу. Физика и химия стекла, т.3, №5, 1977, с.519-523

2. О.С.Щавелев, Н.К.Мокин, В.А. Бабкина, Н.Ю. Плуталова. Система расчета теплофизических свойств и термостойкости фосфатных стекол по их составу. Физика и химия стекла, т. 15, №4, 1989, с.614-616.

Лазерное фосфатное стекло, включающее P₂O₅, Al₂О₃, В₂О₃, К₂O, Na₂O, MgO, CaO, SrO, BaO, Nd₂O₃, CeO₂, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит SiO₂ и Nb₂O₅ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Р2O5	52-66
Al2О3	3-6
В2O3	0,3-3,3
К2O	3-8
Na2O	1,5-5,5
MgO	0,2-2,1
CaO	0,1-3
SrO	2-17
BaO	0,5-21
Nd2O3	0,5-6
CeO2	0,1-1,5
SiO2	0,5-3
Nb2O5	1,5-9