Патент на изобретение №2209785

(54) ОПТИЧЕСКОЕ СТЕКЛО

(57) Реферат:

Изобретение относится к производству оптических стекол на основе SiO₂-матрицы с фильтрующими добавками для использования в качестве светофильтров и элементов лазерной оптики. Изобретение позволяет существенно повысить крутизну кривой поглощения и сузить границы переходных областей и может быть использовано в фильтрах селективного поглощения заданного одного или нескольких участков спектра оптического излучения при снижении температуры варки стекла. Оптическое стекло имеет следующий состав: прозрачная матрица SiO₂ с гомогенно распределенными фильтрующими добавками, представляющими наборы гомогенно распределенных в указанной матрице наночастиц металла различных геометрических форм с линейными размерами много меньше длин волн поглощаемых участков спектра при концентрации указанных частиц в матрице (1 – 3)10^-5 объемных долей. Частными случаями оптического стекла являются оптическое стекло, пропускающее видимую часть спектра и поглощающее его инфракрасную часть, в котором указанные добавки представляют собой наборы наночастиц металла, например серебра, имеющих форму наностержней с отношением длины к диаметру 2,5 – 5,0, и оптическое стекло, пропускающее инфракрасную часть спектра и поглощающее его видимую часть, в котором указанные добавки представляют собой наборы наночастиц металла, например серебра, имеющих форму нанодисков с отношением толщины к диаметру в интервале 0,2 – 0,95. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к веществам, применяемым для изготовления оптических фильтров, и может быть использовано в фильтрах селективного поглощения заданного одного или нескольких участков спектра оптического излучения.

Известно стекло [1] на основе SiO₂ матрицы, активированной полупроводниковыми добавками. Недостатками указанного стекла являются широкая переходная область от пропускания к поглощению и высокая чувствительность к термообработке.

Известно также стекло [2], которе является прототипом данного изобретения. Указанное стекло состоит из прозрачной матрицы SiO₂ и следующих добавок:
Na₂О, CuInS₂O, CaO, SrO. Это стекло сравнительно с [1] менее чувствительно к термообработке и имеет суженную переходную область от пропускания к поглощению. Недостатком указанного стекла является все-таки достаточно широкая переходная область, которая для случая ближнего ИК диапазона составляет от 0,75 до 1,15 мкм, а также высокая температура варки стекла, равная 1350^oС.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и сужение переходной зоны от поглощения к пропусканию, а также снижение температуры изготовления стекла.

Поставленная цель достигается тем, что в оптическом стекле, включающем прозрачную матрицу, например SiO₂, и фильтрующие добавки, указанные добавки представляют собой наборы гомогенно распределенных в указанной матрице наночастиц металла различных геометрических форм, имеющих линейные размеры много меньше длин волн поглощаемых участков спектра, при концентрации указанных частиц в матрице (1 – 3)10⁵ объемных долей.

Частными случаями предлагаемого оптического стекла являются: оптическое стекло, пропускающее видимую часть спектра и поглощающее его инфракрасную часть, в котором указанные добавки представляют собой наборы наночастиц металла, например серебра, имеющих форму наностержней с отношением длины к диаметру в интервале от 2,5 до 5,0; и оптическое стекло, пропускающее инфракрасную часть спектра и поглощающее его видимую часть, в котором указанные добавки представляют собой наборы наночастиц металла, например серебра, имеющих форму нанодисков с отношением толщины к диаметру в интервале от 0,2 до 0,95.

На чертеже представлены фильтрующие свойства указанных частных случаев предлагаемого оптического стекла толщиной 5 мм при концентрации указанных частиц в матрице 210⁵ объемных долей, где
а) зависимость поглощения Р в процентах от длины волны в мкм для указанного стекла, пропускающего видимую часть спектра и поглощающего его инфракрасную часть при длине наностержней серебра, равной 100 нм,
б) зависимость поглощения Р в процентах от длины волны в мкм для указанного стекла, пропускающего инфракрасную часть спектра и поглощающего его видимую часть при диаметре нанодисков серебра, равном 100 нм.

Как видно из чертежей, ширина зоны перехода от пропускания к поглощению в области ближнего ИК-излучения для случая а) составляет около 100 нм, для случая б) около 100 нм, что примерно в 4 раза уже, чем для стекла-прототипа.

Светофильтрующие свойства предлагаемого оптического стекла определяются резонансными частотами поглощения входящих в него металлических наночастиц – добавок. Указанные добавки при линейных размерах, значительно меньших длины волны падающего излучения, играют роль плазмонов, в которых в случае совпадения их собственных частот колебаний с частотами падающего электромагнитного излучения происходит его активное поглощение с преобразованием его энергии в тепло. Набор собственных частот колебаний плазмона определяется его формой, природой материала, из которого он состоит и геометрическими размерами. Указанное свойство частиц металла – плазмонов позволяет создавать оптические стекла-фильтры также для селективного поглощения заданного одного или нескольких участков оптического излучения, вводя в прозрачную матрицу соответствующие наборы наночастиц металлов различных геометрических форм и размеров.

Способ получения предлагаемого оптического стекла состоит в приготовлении необходимого количества наночастиц металла, в частности серебра, и смешивании его с соответствующим количеством расплавленной матрицы SiО₂ при температуре около 800^oС в вакууме.

Наночастицы-добавоки серебра приготавливают следующим образом.

Ядерный фильтр из полимерной пленки толщиной 30 мкм с диаметром пор, равным диамеру приготавливаемых наночастиц серебра, пропитывают раствором азотнокислого серебра (AgNО₃), а затем восстанавливают металлическое серебро путем облучения ядерного фильтра ультрафиолетовым излучением. Восстановленное металлическое серебро заполняет поры фильтра, так что образуются наностержни серебра, например, диаметром 100 нм и длиной до 30 мкм. После высушивания указанный фильтр наклеивается на твердую основу и методом алмазного шлифования срезаются слои необходимой толщины (равные длине наностержней или толщине нанодисков). Далее полимерная стружка подвергается травлению в щелочи, при этом наночастицы серебра освобождаются для их смешивания с расплавленной матрицей SiO₂.

ЛИТЕРАТУРА
1. Авторское свидетельство СССР 1527199.

2. Авторское свидетельство СССР 1677025.

Формула изобретения

1. Оптическое стекло преимущественно для изготовления светофильтров, включающее прозрачную матрицу, например SiO₂, и фильтрующие добавки, отличающееся тем, что указанные добавки представляют собой наборы гомогенно распределенных в указанной матрице наночастиц металла различных геометрических форм с линейными размерами много меньше длин волн поглощаемых участков спектра при концентрации указанных частиц в матрице (1-3)10^-5 объемных долей.

2. Оптическое стекло по п.1, отличающееся тем, что указанные добавки представляют собой наборы наночастиц металла, например серебра, имеющих форму наностержней с отношением длины к диаметру 2,5-5,0.

3. Оптическое стекло по п.1, отличающееся тем, что указанные добавки представляют собой наборы наночастиц металла, например серебра, имеющих форму нанодисков с отношением толщины к диаметру 0,2-0,95.

РИСУНКИ