RU2209785C1

RU2209785C1 - Optical glass

Info

Publication number: RU2209785C1
Application number: RU2002100006A
Authority: RU
Inventors: О.А. Займидорога; В.Н. Самойлов; И.Е. Проценко
Original assignee: Займидорога Олег Антонович; Самойлов Валентин Николаевич; Проценко Игорь Евгеньевич
Priority date: 2002-01-03
Filing date: 2002-01-03
Publication date: 2003-08-10

Abstract

FIELD: glassmaking. SUBSTANCE: invention relates to manufacturing optical glasses based on silicon oxide matrix with filtration additives for use as light filters and laser optics elements. Transparent matrix includes uniformly distributed filtration additives composed of a set of uniformly distributed differently shaped metal nanoparticles with linear dimensions much lesser than wavelengths of absorbed spectrum bands, concentration of these particles being (1-3)•10^-5 volume portions. Particular types of optical glass are those transmitting visible spectrum region and infrared spectrum region wherein indicated sets of metal (e.g., silver) nonaparticles are shaped as nanorods with length-to-diameter ratio 2.5-5.0 and as nanodisks with thickness-to diameter ratio 0.2-0.95. EFFECT: lowered glass melting temperature, essentially increased steepness of absorption curve and narrowed borders of boundary regions allowing use of the glass in filters selectively absorbing one or several optical emission bands. 3 cl, 2 dwg

Description

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. The invention relates to substances used for the manufacture of optical filters, and can be used in filters for the selective absorption of a given one or more sections of the spectrum of optical radiation.

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.It is known glass [1] based on a SiO ₂ matrix activated by semiconductor additives. The disadvantages of this glass are a wide transition region from transmission to absorption and high sensitivity to heat treatment.

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.Glass [2] is also known, which is a prototype of the present invention. The specified glass consists of a transparent matrix of SiO ₂ and the following additives:
Na ₂ O, CuInS ₂ O, CaO, SrO. Compared to [1], this glass is less sensitive to heat treatment and has a narrowed transition region from transmission to absorption. The disadvantage of this glass is still a fairly wide transition region, which for the case of near infrared ranges from 0.75 to 1.15 microns, as well as a high temperature of glass melting, equal to 1350 ^o C.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и сужение переходной зоны от поглощения к пропусканию, а также снижение температуры изготовления стекла. The aim of the present invention is to eliminate these drawbacks and narrowing the transition zone from absorption to transmission, as well as lowering the glass manufacturing temperature.

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.This goal is achieved by the fact that in an optical glass including a transparent matrix, for example SiO ₂ , and filter additives, these additives are sets of metal nanoparticles of various geometric shapes homogeneously distributed in the specified matrix, having linear dimensions much smaller than the wavelengths of the absorbed spectral regions, the concentration of these particles in the matrix (1 - 3) • 10 ⁵ volume fractions.

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. Particular cases of the proposed optical glass are: optical glass, which transmits the visible part of the spectrum and absorbs its infrared part, in which these additives are sets of metal nanoparticles, for example silver, in the form of nanorods with a ratio of length to diameter in the range from 2.5 to 5, 0; and optical glass, which transmits the infrared part of the spectrum and absorbs its visible part, in which these additives are sets of metal nanoparticles, for example silver, in the form of nanodisks with a ratio of thickness to diameter in the range from 0.2 to 0.95.

На чертеже представлены фильтрующие свойства указанных частных случаев предлагаемого оптического стекла толщиной 5 мм при концентрации указанных частиц в матрице 2•10⁵ объемных долей, где
а) зависимость поглощения Р в процентах от длины волны λ 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 λ в мкм для указанного стекла, пропускающего инфракрасную часть спектра и поглощающего его видимую часть при диаметре нанодисков серебра, равном 100 нм.The drawing shows the filtering properties of these particular cases of the proposed optical glass with a thickness of 5 mm at a concentration of these particles in a matrix of 2 • 10 ⁵ volume fractions, where
a) the dependence of the absorption P in percent of the wavelength λ in μm for the specified glass, transmitting the visible part of the spectrum and absorbing the infrared part with a length of silver nanorods equal to 100 nm,
b) the dependence of the absorption P in percent on the wavelength λ in μm for the specified glass, which transmits the infrared part of the spectrum and absorbs its visible part with a diameter of silver nanodisks equal to 100 nm.

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. As can be seen from the drawings, the width of the transition zone from transmission to absorption in the near infrared region for case a) is about 100 nm, for case b) about 100 nm, which is about 4 times narrower than for the prototype glass.

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. The light-filtering properties of the proposed optical glass are determined by the resonant absorption frequencies of the metal nanoparticles included in it - additives. These additives, with linear dimensions much shorter than the wavelength of the incident radiation, play the role of plasmons, in which, if their natural vibration frequencies coincide with the frequencies of the incident electromagnetic radiation, it is actively absorbed and its energy is converted into heat. The set of eigenfrequencies of plasmon vibrations is determined by its shape, the nature of the material of which it consists, and geometric dimensions. The indicated property of metal particles - plasmons allows the creation of optical glass filters also for the selective absorption of a given one or more sections of optical radiation by introducing into the transparent matrix the corresponding sets of metal nanoparticles of various geometric shapes and sizes.

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.A method of obtaining the proposed optical glass consists in preparing the required amount of metal nanoparticles, in particular silver, and mixing it with an appropriate amount of molten SiO ₂ matrix at a temperature of about 800 ^o C in vacuum.

Наночастицы-добавоки серебра приготавливают следующим образом. Silver additive nanoparticles are prepared as follows.

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.A nuclear filter made of a polymer film 30 μm thick with a pore diameter equal to the diameter of the prepared silver nanoparticles is impregnated with a solution of silver nitrate (AgNO ₃ ), and then metallic silver is reduced by irradiating the nuclear filter with ultraviolet radiation. The reduced metallic silver fills the pores of the filter, so that silver nanorods are formed, for example, with a diameter of 100 nm and a length of up to 30 μm. After drying, the specified filter is glued to a solid base and layers of the required thickness (equal to the length of nanorods or the thickness of nanodiscs) are cut by diamond grinding. Then the polymer chips are etched in alkali, while the silver nanoparticles are released to mix them with the molten SiO ₂ matrix.

ЛИТЕРАТУРА
1. Авторское свидетельство СССР 1527199.LITERATURE
1. USSR copyright certificate 1527199.

2. Авторское свидетельство СССР 1677025. 2. Copyright certificate of the USSR 1677025.

Claims

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.1. Optical glass mainly for the manufacture of optical filters, including a transparent matrix, for example SiO ₂ , and filter additives, characterized in that said additives are sets of metal nanoparticles of various geometric shapes homogeneously distributed in said matrix with linear dimensions much smaller than the wavelengths of the absorbed spectral sections when the concentration of these particles in the matrix (1-3) • 10 ^-5 volume fractions.

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. 2. Optical glass according to claim 1, characterized in that said additives are sets of metal nanoparticles, for example silver, in the form of nanorods with a ratio of length to diameter of 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. 3. The optical glass according to claim 1, characterized in that said additives are sets of metal nanoparticles, for example silver, in the form of nanodiscs with a ratio of thickness to diameter of 0.2-0.95.