5.2. Общая характеристика стекол для ОКГ

Стекла изготовляют из дешевого и доступного сырья. Обычные компоненты стекла: кварцевый песок сода поташ известняк доломит бура и окислы различных металлов в зависимости от назначения стекла. Стекла классифицируют по основе — стеклообразующему аниону — и по содержанию окислов — модификаторов. Если основной составной частью стекла является кварц то стекло называется силикатным, бура или борный ангидрид — боратным, — свинцовым и т. д. По содержанию окислов — модификаторов стекла разделяются на три группы:

1. Щелочные стекла — с большим содержанием окислов щелочных металлов где Температура плавления таких стекол около ним относятся: пирекс, химическое колбочное стекло, бутылочное, оконное и т. д.

2. Щелочные стекла с большим содержанием окислов тяжелых металлов и др.). Среди этой группы стекла, содержащие окись свинца, обычно называют флинтами, а стекла, содержащие окись бария — кронами. Эти стекла применяют в оптике и электротехнике. В качестве активных веществ ОКГ из этой группы стекол используют кроны, а также боросиликатные и лантан-боросиликатные стекла.

3. Бесщелочные стекла почти не содержат окислов щелочных металлов. Они обладают высокими оптическими и электроизоляционными свойствами, а также высокой теплопроводностью. Поэтому они широко

используются для изготовления элементов ОКГ. Недостатком этой группы стекол является высокая температура плавления (около 1 750°С). К бесщелочным стеклам относятся боратные, боросиликатные, лантанборатные, лантанбариевоборатные стекла с составами и др. К ним относится также и кварцевое стекло, состоящее из чистого кремнезема Оно обладает высокой теплопроводностью, малым коэффициентом теплового расширения, хорошей прозрачностью в широком диапазоне спектра (видимой и ультрафиолетовой областях). Это очень перспективный материал для ОКГ, но применение его пока ограничивается трудностями введения активных примесей в решетку кварца.

К рассмотренным группам стекол следует добавить еще одну, имеющую важное значение для квантовой электроники. Принципиальное отличие ее от других групп стекол заключается в том, что в нее входят не кислородные, а фтористые стекла. Основу этих стекол составляет фторид бериллия поэтому они называются фторбериллатными стеклами. В качестве активных веществ ОКГ используют фторбериллатные стекла следующих составов [51, 53, 54]:

где

В настоящее время ведущие мировые оптические фирмы выпускают для ОКГ широкий ассортимент стекол, активированных неодимом. Способы производства их не отличаются от обычных способов получения однородных оптических стекол, но значительно повышаются требования к чистоте исходных материалов, к однородности и спектральным свойствам продукта. Стекла, выпускаемые промышленностью для квантовой электроники, и их физико-химические свойства приведены в табл. 5.1-5.4.

Жесткие требования к чистоте исходных материалов связаны с тем, что примеси (особенно тяжелых металлов) способствуют неактивному поглощению в полосе

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

излучения неодима, вследствие чего повышается пороговая энергия возбуждения, уменьшается квантовый выход и к. п. д. и возрастает разогрев активного стержня ОКГ. Особенно вредны примеси двухвалентного железа, самария, празеодима, эрбия, диспрозия, кобальта, никеля и меди, которые имеют полосы поглощения в области 1,06 мкм. Поэтому исходные материалы должны быть тщательно очищены от этих примесей. Используют только особо чистые реактивы с суммарным содержанием примесей менее 10-4%. Столь же высокие требования относятся и к материалу аппаратуры для варки стекла. Поэтому стекла для ОКГ варят в платиновых контейнерах, используя высокочастотный нагрев. Это предотвращает появление микровключений и свилей, которые обычно наблюдаются при варке стекла в керамических контейнерах.

Используется как периодическая варка с выпуском стекла на конвейерную ленту, так и непрерывная — в ванных печах с формованием в стержни. Выпуск стекла проводится через дно контейнера для варки; применяют также и методы вытягивания стержня вверх из расплава.

Все стекла для квантовой электроники подвергаются отжигу для снятия напряжений, что улучшает спектральные характеристики стекла.

Важной рабочей характеристикой стекла является стойкость его к собственному излучению ОКГ и к излучению накачки. Обычно применяемые импульсные лампы-вспышки дают ультрафиолетовое излучение, достаточное для протекания фотохимических процессов в стекле, вследствие чего появляются дополнительные полосы поглощения. Для устранения этого явления иногда в стекло вводят церий. Однако помимо этого стоксовы потери и неактивное поглощение неизбежно приводят к разогреву активного стержня. Малая теплопроводность и высокий коэффициент термического расширения стекла при определенном уровне накачки приводят к механическому разрушению стекла. Причины разрушения еще недостаточно ясны. Однако, во-первых, весьма существенную поль в этом явлении играют центры рятеяния — различные неоднородности, микровключения (в частности, платины), и, во-вторых, диэлектрические свойства стекла. Высокая напряженность электрического поля в луче ОКГ может вызывать

локальные разряды (в местах, где вследстйие микронеод-нородносги химического состава диэлектрические свойства хуже), что приводит к растрескиванию и распылению стекла.