Добавка из празеодима позволила селенидному стекловолокну испускать лазерный свет в ранее недоступном диапазоне

Мы в XX2 веке.

Нижегородские учёные впервые получили особо чистое халькогенидное стекло из селенидов галлия-германия-сурьмы с добавкой элемента празеодима и создали на его основе волоконный лазер, который генерирует свет в среднем инфракрасном диапазоне с длиной волны 5,8 микрометров. За счёт использования особо чистого селенидного стекла диапазон доступных длин волн в стеклянных волокнах расширился на 50% с 3,9 до 5,8 микрометров.

При этом возбуждение лазера производится от доступного диода, что позволит снизить стоимость разрабатываемых лазеров и повысит их доступность и простоту практического применения в регуляции производственных процессов, экологическом мониторинге и медицинской диагностике.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optical Materials.

Оптические волокна (световоды), состоящие из стеклянной оболочки и стеклянной сердцевины, в которую добавлены ионы редкоземельных металлов, способны поглощать внешнее лазерное излучение и генерировать собственное свечение в другом спектральном диапазоне. Традиционно для создания волоконных лазеров среднего инфракрасного диапазона используют фторидные и теллуритовые стекла. Однако их длина волны не превышает 3,9 микрометров, при этом для промышленности и медицины необходимы лазеры, испускающие свет с большей длиной волны.

Волоконные световоды на основе халькогенидных стёкол — серы, селена, германия, галлия и сурьмы, — обогащённые ионами лантаноидов, давно рассматривались как потенциальные источники лазерного излучения с длиной волны более 4 микрометров.

Широкого применения такие устройства пока не нашли, но спектральный диапазон их работы совпадает с полосами поглощения многих практически значимых органических и неорганических веществ, таких как метан, оксиды азота, углерода, серы. Это может быть использовано для их определения и управления химическими производственными процессами, а также в сфере экологического мониторинга, в неинвазивной экспресс-диагностике некоторых эндокринологических заболеваний и болезней пищеварительной системы.

Сотрудники Института химии высокочистых веществ имени Г.Г. Девятых РАН (Нижний Новгород) впервые создали волоконный лазер на основе халькогенидного стекла, генерирующий среднее инфракрасное излучение с длиной волны 5,6—5,83 микрометра.

Сначала исследователи получили особо чистое селенидное стекло с пониженным содержанием мешающих примесей — водорода, кислорода, металлов и других, — в которое добавили празеодим.

Для этого в кварцевом реакторе при нагревании в условиях высокого вакуума авторы пропустили пары селена через германий и сурьму. К полученной смеси селенидов методом химического парового транспорта при 780°С загружали празеодим и галлий. Это позволило дополнительно очистить селениды от вредных примесей. Полученную смесь плавили в качающейся печи, после чего закалили и отожгли полученное стекло. Оно содержало менее 0,0001% примесей. Из этого стекла исследователи сформировали сердцевину волоконного световода. Учёные вытянули из материала более 50 метров оптического волокна с диаметром 0,22 миллиметра и сердцевиной диаметром 0,026 миллиметра.

Затем авторы исследовали способность полученного световода генерировать свет, а также его спектральные и энергетические характеристики. В оболочку волокна подвели излучение от коммерчески доступного инфракрасного диода с длиной волны 1,46 микрометров. Широкий луч используемого источника позволил избежать трудоёмкого прицеливания в сердцевину волокна. Оказалось, что лазер на основе халькогенидного волокна, обогащённого празеодимом, излучал свет в среднем инфракрасном диапазоне с длиной волны 5,6—5,83 микрометра и максимальной выходной мощностью, сопоставимой с лучшими аналогами.

«Мы впервые разработали лазеры, испускающие среднее инфракрасное излучение. Они потенциально найдут применение в диагностике заболеваний. Сейчас мы работаем над повышением энергетической эффективности лазера и его мощности. Для этого мы планируем увеличить концентрацию празеодима в стекле с сохранением его высокой чистоты по мешающим примесям. Это непросто, ведь растворимость редкоземельных металлов в халькогенидных стеклах мала, а сами они выступают основным источником примесей», — рассказывает руководитель проекта Максим Суханов, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии высокочистых веществ имени Г.Г. Девятых РАН.