Международным коллективом ученых из России, Франции и Чехии совершен значительный прорыв в области фотонных материалов. Исследователям впервые удалось синтезировать и всесторонне изучить новый класс люминофоров на основе оксохлоридных теллуритных стекол, активированных ионами редкоземельных металлов. Эта работа, опубликованная в авторитетном журнале Journal of Non-Crystalline Solids, открывает перспективы для создания высокоэффективных устройств инфракрасной оптики, востребованных в медицине и телекоммуникациях.
В основе разработки лежит система хлорид свинца — диоксид теллура (PbCl2-TeO2), легированная фторидами тулия (Tm), эрбия (Er) и гольмия (Ho). Ключевой инновацией стал успешный синтез этих материалов, традиционно считавшихся крайне сложными для получения из-за явления пирогидролиза — разложения хлорида свинца под действием влаги при высоких температурах. Как пояснила руководитель исследования, доктор химических наук Мария Николаевна Бреховских, благодаря тщательному подбору условий синтеза методом закаливания расплава, ученым удалось минимизировать этот процесс и получить стекла с низким содержанием гидроксильных групп (OH), которые обычно гасят люминесценцию.
Телуритные стекла сами по себе являются уникальным материалом, значительно превосходящим обычные силикатные стекла по нелинейным оптическим свойствам и прозрачности в инфракрасном диапазоне. Введение же в их состав тяжелых галогенидов, таких как хлорид свинца, приводит к нескольким фундаментальным улучшениям.
Во-первых, оно снижает так называемую энергию фононов стеклянной матрицы (примерно до 800 см⁻¹), что критически важно для эффективной люминесценции в инфракрасной области, поскольку уменьшает безызлучательные потери энергии. Во-вторых, оно расширяет спектральный диапазон прозрачности материала. Именно сочетание теллуритной матрицы и хлоридного модификатора создало идеальную среду для ионов редкоземельных элементов.
Наиболее впечатляющим результатом исследования стали исключительные спектрально-люминесцентные характеристики полученных стекол. Времена жизни возбужденных состояний ионов Tm³⁺, Er³⁺ и Ho³⁺ в новой матрице оказались существенно больше, чем в известных аналогах на основе оксидных или оксофторидных теллуритных стекол. Это прямое следствие низкой энергии фононов и высокой чистоты синтеза. Увеличенное время жизни метастабильных уровней является ключевым параметром для создания лазерных сред и оптических усилителей, так как позволяет накапливать больше энергии.
Особую научную и практическую ценность представляет впервые детально охарактеризованная интенсивная люминесценция в спектральном диапазоне 2–3 микрометра. Это так называемое «терапевтическое окно» биологических тканей, где излучение обладает максимальной проникающей способностью и минимальным рассеянием в воде. Лазеры на такие длины волн широко применяются в малоинвазивной хирургии, стоматологии и диагностике. Таким образом, разработанные стекла являются прямым кандидатом для активных элементов волоконных лазеров и усилителей медицинского назначения.
Ученые подчеркивают, что проведенное комплексное исследование продемонстрировало явные преимущества оксохлоридных теллуритных стекол перед другими типами матриц для фотонных технологий. В качестве следующего шага исследовательская группа планирует практическую реализацию полученных материалов — вытягивание из них оптических волокон. Создание волоконной геометрии станет финальным доказательством применимости этих уникальных стекол в реальных устройствах нового поколения для медицины, телекоммуникаций и систем передачи данных.