Халькогенидные стекла, легированные ионами редкоземельных металлов, - новые лазерные материалы среднего инфракрасного диапазона: возможности, примесная чувствительность, методы получения

Халькогенидные стекла, легированные ионами редкоземельных металлов (РЗМ), уже более 30 лет рассматриваются как перспективные источники люминесцентного и лазерного излучения в диапазоне 1–8 мкм. Такие источники в объемном и волоконном исполнении необходимы в составе стационарных и компактных мобильных спектрометрических систем для мониторинга производственных процессов, в экологическом мониторинге, медицинской диагностике, сфере безопасности, системах связи в открытом космосе. До 2020 года попытки продемонстрировать в легированных халькогенидных стеклах лазерную генерацию с длиной волны более 1 мкм были безуспешными из-за недостаточного уровня их чистоты. До этого же времени максимальной длиной волны лазера, полученного на фторидных стеклах, была 3.9 мкм. Авторами проекта предложен способ получения легированных селенидных стекол, в котором все компоненты шихты (Ge, Sb, Ga, Se) и прекурсоры РЗМ, подвергаются дополнительной очистке комбинированием методов дистилляции, сублимации и химического транспорта в условиях высокого вакуума. Новый уровень чистоты селенидных стекол позволил впервые достичь порога лазерной генерации на ионах Ce3+, Pr3+, Nd3+, Tb3+ в диапазоне 4.5–6 мкм в объемных образцах и волоконных световодах и продемонстрировать практически значимую выходную мощность в непрерывном режиме при комнатной температуре до 150 мВт. Настоящий проект направлен на определение спектральных и энергетических возможностей новых лазерных материалов среднего ИК диапазона – халькогенидных стекол (сульфидных, селенидных, теллуридных), легированных ионами РЗМ, в генерации лазерного излучения в диапазоне 2–8 мкм, определение лимитируемых примесей, установление степени и границ их влияния на эффективность лазерной генерации, формулирование обоснованных требований к их содержанию, разработку и совершенствование методов получения стекол требуемой чистоты. Задачи проекта включают экспериментальные и теоретические исследования, направленные на определение возможности лазерной генерации в селенидных и теллуридных стеклах в недостижимом ранее диапазоне 7–8 мкм, в новом для сульфидных стекол диапазоне 2–4 мкм, на увеличение выходной мощности лазерного излучения с длиной волны 5.2 мкм в волоконных световодах на основе селенидных стекол до величин более 0.3 Вт, уточнение степени влияния примесей d-переходных металлов, металлов-аналогов (РЗМ), водорода, кислорода в форме SH-, SeH-групп, оксидов на возможность достижения и эффективность лазерной генерации в халькогенидных стеклах, определение природы гетерогенных включений, их источника и вклада в уровень оптических потерь в областях накачки и лазерной эмиссии, определение термодинамических условий одновременной химической паровой транспортной загрузки галлия и РЗМ в шихту в виде их йодидов и степень их очистки от указанных групп примесей, определение химической формы РЗМ в составе стекол, влияющей на спектрально-кинетические свойства люминесценции ионов РЗМ, определение теплофизических характеристик стекол и их стойкости к факторам внешней среды. Ожидается что решение задач проекта позволит снизить содержание примесей металлов в халькогенидных стеклах до уровня менее 0.1 мас. ppm (суммарно), примеси водорода в форме SeH-, SH-групп – менее 0.5 ат. ppm, гетерогенных включений микронного и субмикронного размера – менее 10^2 и 10^4 см-3, соответственно. В качестве объектов исследования выбраны сульфидные, селенидные и теллуридные стекла Ga5Ge20Sb10(S,Se)65, GeySbxSe100-x-y (10 ≤ x ≤ 20, 20 ≤ y ≤ 25), (Ga15Ge10Te75)100-x(AgI)x (0 ≤ x ≤ 60) легированные 0.05–2 мас.% Ce, Pr, Sm, Tb, Dy, Er, пригодные для получения массивных образцов и волоконных световодов. Решение задач проекта расширит представления о физико-химии процессов получения особо чистых сульфидных, селенидных и теллуридных стекол, легированных редкоземельными металлами, создаст фундаментальную основу для развития объемных и волоконных лазерных источников диапазона 2–8 мкм.