НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2010, том 46, № 8, с. 1016-1019
УДК 546.54-161-6
КОЭФФИЦИЕНТ ЭКСТИНКЦИИ Ni2+ В СТЕКЛЕ (TeO2)0.78(WO3)0.2;
© 2010 г. Г. Е. Снопатин*, В. Г. Плотниченко**, С. А. Волков**, В. В. Дорофеев*,
Е. М. Дианов**, М. Ф. Чурбанов*
*Институт химии высокочистых веществ Российской академии наук, Нижний Новгород **Научный центр волоконной оптики Российской академии наук, Москва e-mail: churbanov@ihps.nnov.ru Поступила в редакцию 28.12.2009 г.
Изучены спектры поглощения стекла (TeO2)078(WO3)0.22 с добавками 0.01 — 1.0 мас. % NiO в области длин волн 450—2700 нм и определена спектральная зависимость коэффициента экстинкции ионов Ni2+. Для полос поглощения с максимумами 810 и 1320 нм коэффициент экстинкции равен 20.2 ± 0.8 см-1 (870 ± 35 дБ/(км мас. ррт)). По протяженности спектрального интервала поглощения и значению коэффициента экстинкции никель относится к числу сильно поглощающих примесей в теллурит-ных стеклах. Полученные результаты позволяют сформулировать обоснованные требования к содержанию примеси никеля в теллуритных стеклах для волоконной оптики.
ВВЕДЕНИЕ
Теллуритные стекла, обладающие широкой полосой пропускания (0.35—6.0 мкм), высокими значениями линейного и нелинейного показателя преломления и потенциально низкими оптическими потерями в ближнем и среднем ИК-диа-пазоне, представляют значительный интерес как материалы для волоконной оптики. Стекла, предназначенные для изготовления волоконных световодов, должны иметь низкое содержание примесей, вызывающих оптические потери. Одной из групп лимитируемых примесей являются ионы 3^-переходных металлов (V, Сг, Мп, Бе, Со, N1 и Си), дающие селективные интенсивные полосы поглощения в видимой и ближней ИК-области.
Количественные данные о влиянии примесей 3 ^-переходных металлов на оптическое поглощение в спектральной области пропускания теллуритных стекол в литературе отсутствуют. В наибольшей степени спектры поглощения ионов 3^-переходных металлов изучены для фторцирконатных и кварцевых стекол [1—4]. Для первых оптическое поглощение в области 1—2 мкм лимитируется примесями Со2+, Бе2+ и №2+, коэффициент экстинкции которых составляет 100—500 дБ/(км ррт) [3]. В кварцевых волоконных световодах в окнах прозрачности (1.3— 1.6 мкм) наиболее лимитируемыми примесями являются Сг, Со, Бе и Си с коэффициентами экстинкции 300-700 дБ/(км ррт) [4].
Знание спектральной зависимости коэффициента экстинкции, связывающего интенсивность поглощения излучения и концентрацию примесных элементов, необходимо для контроля содержания нежелательных примесей в оптических материалах по спектрам пропускания последних, для разработки обоснованных требований к допу-
стимому содержанию примесей и соответствующей корректировки технологии с целью улучшения оптических параметров материалов. А также для контроля содержания легирующих добавок, специально вводимых в материал для оптимизации характеристик разрабатываемых лазеров, оптических усилителей и преобразователей излучения.
Цель данной работы состоит в исследовании спектров пропускания вольфрамат-теллуритных стекол ^03-Те02, легированных оксидом никеля, и определении спектральной зависимости коэффициента экстинкции №2+ в области 450-2700 нм. Вольфрамат-теллуритные стекла относятся к наиболее устойчивым к кристаллизации бинарным теллуритным стеклам. Выбор никеля как примеси обусловлен его присутствием в оксидах, используемых для получения теллуритных стекол. Он имеет единственное валентное состояние 2+, что существенно упрощает интерпретацию получаемых результатов, учитывая окислительный характер Те02 как макрокомпонента исследуемых стекол.
МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛЬФРАМАТ-ТЕЛЛУРИТНЫХ СТЕКОЛ, ЛЕГИРОВАННЫХ №2+
Исследуемые стекла получали охлаждением расплава смеси оксидов состава (Те02)078(^03)022. В качестве исходных компонентов использовали оксиды Те02 и №0 квалификации "ч." и ^03 "ч.д.а.". Содержание примеси никеля в Те02 и было ниже 1 х 10-4 мас. %. Предварительную прокалку исходных компонентов для удаления воды и плавление шихты из смеси порошкообразных оксидов проводили в платиновом тигле, на-
КОЭФФИЦИЕНТ ЭКСТИНКЦИИ Ni2+
1017
500 1000 1500 2000 2500 3000
Длина волны,нм
Рис. 1. Спектры пропускания образцов стекол (Те02)0 78 (^03)022 толщиной 0.5 мм с содержанием примеси N1 от 0.0094 до 0.786 мас. %.
греваемом высокочастотным индуктором и расположенном в боксе, в атмосфере кислорода с влажностью 0.8 ppm. Температура и время гомогенизации расплава составляли 800°С и 1 ч соответственно. Температура контролировалась с помощью оптического пирометра.
По окончании гомогенизирующего плавления часть расплава выливали в металлическую форму, где он отверждался в стекло, используемое в дальнейшем для разбавления никельсодержащих расплавов. К оставленному в тигле расплаву добавляли оксид никеля из расчета получения стекла, содержащего 1 мас. % NiO. После гомогенизации расплава часть его выливали в форму и отвержда-ли, а к остатку в тигле снова добавляли полученное ранее стекло-разбавитель. Процесс повторялся несколько раз. Концентрацию оксида никеля в отвержденном стекле рассчитывали исходя из материального баланса для смешиваемых образцов стекол, содержащих и не содержащих никель. Таким способом были изготовлены образцы стекла (TeO2)078(WO3)022:Ni2+ с содержанием NiO от 1 до 1.2 х 10-2 мас. %.
Из полученных стекол с разным содержанием NiO были изготовлены образцы толщиной от 0.5 до 50 мм с оптически полированными гранями. Спектры пропускания этих образцов в видимой и ИК-областях спектра измерялись на спектрофотометре Perkin Elmer Lambda 900 (в диапазоне 400—3000 нм) и на фурье-спектрометре Bruker IFS 113v (1000—10000 нм) с разрешением не хуже 4 нм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 приведены спектры пропускания для образцов толщиной 0.5 мм с различным содержанием N10. Видно, что спектр поглощения стекла (Те02)0.78(^03)0.22:№2+ содержит две широкие полосы с максимумами вблизи 810 и 1320 нм и полосу с максимумом на длинах волн <450 нм, попадающим в область коротковолнового края пропускания стекла (Те02)0.78(^03)0.22. С ростом содержания №0 интенсивность поглощения во всех полосах увеличивается.
Спектры пропускания были измерены на образцах длиной от 0.5 до 22 мм для всех концентраций N10. Это позволило определить коэффициент экстинкции, связывающий поглощение иона №2+ с концентрацией этих ионов в теллуритном стекле (Те02)078(^'03)0.22:№2+ в спектральной области 450-2700 нм.
На рис. 2 в качестве примера показана зависимость ослабления излучения в максимуме полосы 1320 нм в образцах, содержащих 0.053 мас. % N1, от их длины и линейная аппроксимация экспериментальных точек. Отрезок, отсекаемый на оси ординат, в основном обусловлен френелевскими потерями на отражение, а наклон прямой — коэффициентом объемного поглощения в стекле с данным содержанием N1.
Аппроксимация значений коэффициента объемного поглощения для этой полосы для всех исследованных образцов с содержанием N1 до 0.12 мас. % показана на рис. 3. Видно, что поглощение в максимуме полосы 1320 нм хорошо аппроксимируется
1018
СНОПАТИН и др.
—1п Т
«
и
я
о
¡3
о
5
о с н я
о
и я и
-е -е
т о
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5
0
1.0 1.5 2.0 Длина, см
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 Концентрация N1, мас. %
0.14
Рис. 2. Зависимость ослабления излучения образцов, содержащих 0.053 мас. % N1, от их длины в максимуме полосы поглощения 1320 нм и аппроксимация экспериментальных значений линейной функцией.
Рис. 3. Зависимость коэффициента объемного поглощения на длине волны 1320 нм от концентрации N1 в теллуритных стеклах (Те02)0 78 (^03)0 22.
100 р
500
1000
1500
Длина волны,нм
2000
2500
£
£ &
&
1000 у
и
д
и,
и ц
м
н
тин
с
м
т
т н е
и ц
и
-е -е
т
о Ко
I 100
10
Рис. 4. Спектральная зависимость коэффициента экстинкции для примесных атомов N1 в теллуритном стекле (Те02)0.78 (^^03)0.22.
линейной функцией концентрации поглощающих ионов №2+. Наклон полученной прямой, представляющий собой искомый коэффициент экстинкции, равен 20.2 ± 0.8 см-1 (мас. % №)-1 или 870 ± 35 дБ /(км мас. ррт N1).
Отсутствие зависимости количества полос поглощения и их формы от содержания N10 в стеклах позволяет получить спектральную зависимость коэффициента экстинкции, которая приведена на рис. 4. Для сравнения в таблице пред-
ставлены значения поглощения на различных длинах волн примесными ионами №2+ с концентрацией 1 ррт в различных стеклах.
Полученное значение коэффициента экстинк-ции №2+ позволяет оценить уровни содержания примесных ионов никеля в теллуритных стеклах ^03-Те02, допустимые для достижения определенных оптических потерь. В спектральном интервале 700-1700 нм уровень потерь 100 дБ/км возможен при содержании №2+ не выше (1-2) х 10-5 мас. %. В бо-
КОЭФФИЦИЕНТ ЭКСТИНКЦИИ Ni2+ 1019
Поглощение на различных длинах волн примесными атомами N1 с концентрацией 1 ррт в стеклах различного состава
Поглощение, дБ/км
Стекло в максимуме полосы вблизи 400 нм вблизи 1.5 мкм вблизи 2.0 мкм вблизи 2.5 мкм Источник
SiO2 2500 200 - - [4]
На основе ZrF4 (Zr-Ba-La-Al-Na-Pb-F) 650 200 90 30 [2]
На основе ZrF4 (Zr-Ba-La-Al-Na-F) 360 100 <30 <2.4 [5]
(TeO2)0.78(WO3)0.22 >5000 750 200 30 Настоящая работа
лее длинноволновой области (>2000 нм) уровень примесного поглощения заметно ниже. В целом по протяженности спектрального интервала поглощения и значению коэффициента экстинк-ции никель следует отнести к числу сильно поглощающих примесей в теллуритных стеклах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Определены значение коэффициента экс-тинкции примеси №0 в стекле (Те02)0.78(^'03)0.22 и его спектральная зависимость в интервале 450— 2700 нм. Это дает возможность оценить содержание никеля в стекле с заданным уровнем оптических потерь. Допустимое содержание никеля в стекле с потерями на поглощение 100 дБ/км в спектральной области 700—1700 нм не должно превышать (1—2) х 10-5 мас. %.
Работа выполнена при финансовом содействии гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ (№ НШ-4701.2008.3)
и Программы фундаментальных исследований Президиума РАН (№ П 27).
СПИСОК ЛИТЕРАТ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.